基于PLC的機械手臂控制課程設計.docx

課程設計說明書 課 程 名 稱:電氣控制PLC課程設計 課 程 代 碼: XXXXXXXX 題 目:基于PLC機械手控制系統(tǒng) 學 生 姓 名: X X 學 號: XXXXXXXXXXXXX 年級/專業(yè)/班: XXXX級電氣自動化X班 學院(直屬系) : XXXXXXX學院 指 導 教 師: X X 學院名稱： XXXXXX 專業(yè)： XXX 年級： 2013級 機械手控制系統(tǒng)設計一、 選題背景及題目來源工業(yè)實際項目，可在天科TKPLC-A實驗裝置機械手裝置的模擬控制實驗區(qū)完成本模擬實驗。二、訓練目的（1）通過使用各基本指令，進一步熟悉掌握PLC的編程和程序調試；（2）學會繪制電氣原理圖及接線圖；（3）選擇電氣元器件；（4）完成系統(tǒng)硬件和軟件設計；（5）完成模擬實驗；（6）編寫技術文件。三、要求實現(xiàn)的功能啟動機械手，將物體從A處移動到B處，機械手將完成原位、下降、抓取、上升、右移、下降、放松、上升、左移、循環(huán)或者回到原位動作過程。在執(zhí)行動作時由限位開關對機械手位置進行控制，并且由雙線圈二位電磁閥推動氣缸完成。提出改進方案：在機械手夾緊過程進行探究，增加壓力傳感器用于機械手爪壓力并進行反饋控制；增加超聲波傳感器檢測物體是否滑落。當物體出現(xiàn)滑落或操作錯誤時發(fā)出報警等。四、實驗設備1、安裝了STEP7-Micro/WIN32編程軟件的計算機一臺2、天科TKPLC-A實驗裝置3、機械手模塊五、設計任務（1）根據(jù)控制要求分析控制及動作過程，設計硬件系統(tǒng)；（2）繪制電氣原理圖及PLC I/O接線圖；（3）設計軟件系統(tǒng)；（4）組成控制系統(tǒng)；（5）進行系統(tǒng)調試，實現(xiàn)（三）所要求的控制功能，完成模擬實驗。（6）撰寫課程設計說明書。六、參考資料1、天科TKPLC-A實驗裝置實驗手冊2、S7-200可編程序控制器手冊，西門子技術服務中心，四川省機械研究設計院，2000.93、現(xiàn)代電器控制及PLC應用技術第2版，王永華，北京航空航天大學出版社指導教師： XX 簽名日期： 2015 年 06 月 1日 36 / 41摘要可編程控制器是一種以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。它采用了可編程序的存儲器，可以再其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時器、計數(shù)器和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的設備或生產過程?？删幊炭刂破鹘Y構簡單、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長，應用范圍廣。 本課題設計了機械手控制系統(tǒng)。主要應用于機床加工工件的裝卸，裝配印制板電路板，組裝零部件；勞動條件較差，危險等場合。采用西門子公司S7-200系列，CPU224型PLC進行實驗，運用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行編程，并通過TKPLC-A型可編程控制器實驗箱機械手裝置模擬控制實驗區(qū)完成本模擬實驗。主要功能是循環(huán)地將物件從A地運往B地。為了使動作操作更加準確，加入壓力傳感器、超聲波傳感器，進行檢測改進。該裝置涵蓋了可編程控制技術、位置控制技術、檢測技術等。由PLC接收來自外部的輸入信號（包括開關機、限位指令、傳感器信號指令等），并控制雙線圈二位電磁閥來控制機械手的夾緊和松開。在設計過程中，包括流程圖、原理圖、主電路圖。關鍵詞：PLC、機械手、傳感器、檢測技術目錄引言1第1章 機械手控制系統(tǒng)方案設計21.1方案設計原則21.2 系統(tǒng)的整體設計要求21.3控制系統(tǒng)的設計31.3.1 繼電器控制系統(tǒng)31.3.2 單片機控制31.3.3 工業(yè)控制計算機控制31.3.4 可編程序控制器控制4第2章 機械手控制系統(tǒng)的硬件設計52.1 硬件選型52.1.1 PLC 機型選擇52.1.2 PLC 容量選擇62.1.3 I/O 模塊的選擇62.1.4 電源模塊的選擇72.2 機械手的基本構造及PLC I/O點分配82.2.1 系統(tǒng)組成82.2.2 執(zhí)行機構92.2.3、機械手PLC的模擬實驗面板112.2.4 機械手PLC的I/O分配122.3 主電路的設計132.3.1 機械結構和控制要求132.3.2 主電路圖的設計13第3章 機械手控制系統(tǒng)的軟件設計143.1程序設計的一般方法143.1.1 經(jīng)驗設計法153.1.2 邏輯設計法153.1.3 順序設計法153.2 PLC 控制的相關流程圖163.2.1 控制流程圖163.3 可編程控制器梯形圖173.3.1可編程控制器梯形圖簡介173.3.2 相關程序段173.3.3 改進方案設計20第4章 系統(tǒng)調試24結論29設計總結30謝辭31參考文獻32附件133附件234引言為了提高產品質量，縮短生產周期，適應產品迅速更新?lián)Q代的要求，產品生產正向縮短生產周期、降低成本、提高生產質量等方向發(fā)展。在煉油、化工、制藥等行業(yè)中，多種液體混合是必不可少的工序，而且也是其生產過程中十分重要的組成部分。但是由于這些行業(yè)中多為易燃易爆、有毒有腐蝕性的介質，以至現(xiàn)場工作環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場操作。另外，生產要求該系統(tǒng)要具有混合精確、控制可靠等特點，這也是人工操作和半自動化控制所難以實現(xiàn)的。所以為了幫助相關行業(yè)，特別是中小型企業(yè)實現(xiàn)物件搬運的自動控制，機械手的自動控制勢必是擺在我們眼前的一大課題，借助實驗室設備熟悉工業(yè)生產中PLC 的應用，了解不同公司的可編程控制器的型號和原理，熟悉其編程方式，而機械手的控制更常見于工業(yè)生產中，幾乎大部分的工廠都離不開機械手，其應用領域廣。 計算機的出現(xiàn)給大規(guī)模工業(yè)自動化帶來了曙光。1968 年，美國最大的汽車制造廠商通用汽車（GM）公司提出了公開招標方案，設想將功能完備、靈活、通用的計算機技術與繼電器便于使用的特點相結合，把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化，用面向過程、面向問題“自然語言”編程，生產一種新型的工業(yè)通用繼電器，使人們不必花費大量的精力進行計算機編程，也能像繼電器那樣方便的使用。這個方案首先得到了美國數(shù)字設備（DEC）公司的積極響應，并中標。該公司于1969 年研制出了第一臺符合招標要求的工業(yè)控制器，命名為可編程邏輯控制器（PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER），簡稱PLC（有的稱為PC),并在GM 公司的汽車自動裝配線上實驗獲得了成功。PLC 一經(jīng)出現(xiàn)，由于它的自動化程度高、可靠性好、設計周期短、使用和維護簡便等獨特優(yōu)點，備受國內外技術人員和工商業(yè)界廠商的極大關注，生產PLC的廠商云起。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在PLC 中的應用，使PLC 的功能不斷得到增強，產品得到飛速發(fā)展。采用基于 PLC 的控制系統(tǒng)來取代園林單片機、繼電器等構成的控制系統(tǒng)，采用模塊化結構，具有良好的可移植性和可維護性，對提高企業(yè)生產和管理自動水平有很大的幫助，同時又提高了生產線的效率、使用壽命和質量，減少了企業(yè)產品質量的波動，因此具有廣闊是市場前景。用PLC 進行開關量控制的實例很多，在冶金、機械、紡織、輕工、化工、鐵路等行業(yè)幾乎都需要它，例如燈光照明、機床電控、食品加工、印刷機械、電梯、自動化倉庫、機械手系統(tǒng)、生產流水線等方面的邏輯控制，都廣泛應用PLC 來取代傳統(tǒng)的繼電器控制。本次設計是將PLC 用于機械手的設計的控制，對學習與實用是很好的結合。第1章 機械手控制系統(tǒng)方案設計1.1方案設計原則整個設計過程是按工藝流程設計，為設備安裝、運行和保護檢修服務，設計的編號按照國家關于電氣自動化工程設計中的電氣設備常用基本圖形符號（GB4728）及其他相關標準和規(guī)范編寫。任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。因此，在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則: (1) 最大限度地滿足被控對象的控制要求；(2) 保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠；(3) 力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便；(4) 適應發(fā)展的需要對于本課題來說，機械手抓動作過程和抓取物件的控制與升級，控制裝置需要根據(jù)企業(yè)設備和工藝現(xiàn)況來構成并需盡可能的利用舊系統(tǒng)中的元器件。對于人機交互方式改造后系統(tǒng)的操作模式應盡量和改造前的相類似，以便于操作人員迅速掌握。要實現(xiàn)整個機械手控制系統(tǒng)的設計，需要從怎樣實現(xiàn)多個電磁閥的開關以及電動機啟動的控制這個角度去考慮，現(xiàn)在就這個問題的如何實現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來確定系統(tǒng)方案。1.2 系統(tǒng)的整體設計要求在該機械手控制系統(tǒng)中，需要完成抓取、移動、放松、回到原位等功能，控制要求如下： 機械手動作流程圖1、下降抓取物體過程：按下啟動開關，機械手下降，當下降到位時，閉合下限位開關SQ1，機械手停止下降，機械手抓緊物體，并持續(xù)夾緊動作。2、上升移動過程：機械手夾緊物體，上升到位時，閉合上限位開關SQ2，機械手停止上升，并保持夾緊動作。3、右移過程：持續(xù)夾緊物體，向右移動，當右移到位時，閉合右限位開關SQ3，機械手停止右移。4、下降放松過程：機械手持續(xù)夾緊物體，下降到位時閉合下限位開關，機械手停止下降。此時，放松放下物體。5、回到原位過程：放下物體后，機械手回升，當回升到位時，閉合上限位開關，機械手停止回升，并向左移動，當左移到位時，閉合左限位開關，機械手停止左移。6、循環(huán)過程：在不出意外，正常運行的情況下，循環(huán)以上過程。1.3控制系統(tǒng)的設計就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機控制、工業(yè)控制計算機控制、可編程控制器控制。本系統(tǒng)的設計我們采用可編程控制器控制。1.3.1 繼電器控制系統(tǒng)控制功能是用硬件繼電器實現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中根據(jù)主電路中的電壓、電流、轉速、時間及溫度等參量變化而動作，以實現(xiàn)電力拖動裝置的自動控制及保護。系統(tǒng)復雜，在控制過程中，如果某個繼電器損壞，都會影響整個系統(tǒng)的正常運行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個控制柜價格非常高，靈活性差，響應速度慢。1.3.2 單片機控制單片機作為一個超大規(guī)模的集成電路，機構上包括CPU、存儲器、定時器和多種輸入/輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強的控制功能，成為功控領域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計算機之一。但是，單片機是一片集成電路，不能直接將它與外部I/O 信號相連。要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和I/O 接口電路，硬件設計、制作和程序設計的工作量相當大。1.3.3 工業(yè)控制計算機控制工控機采用總線結構，各廠家產品兼容性強，有實時操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實用性強、功能復雜的領域中占優(yōu)勢。但工控機價格較高，將它用于開關量控制有些大材小用。且其外部I/O 接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座，直接從印刷電路板上引出，不如接線端子可靠。1.3.4 可編程序控制器控制可編程控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶不用自己設計和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬件配制和設計外部接線圖，同時采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點和接線，通過修改程序適應工藝條件的變化。程控制器(PLC)從上個世紀70 年代發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對開關量進行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時間繼電器等構成開關量控制系統(tǒng)。隨著30 多年來微電子技術的不斷發(fā)展，PLC 也通過不斷的升級換代大大增強了其功能?，F(xiàn)在PLC 已經(jīng)發(fā)展成為不但具有邏輯控制功能、還具有過程控制功能、運動控制功能和數(shù)據(jù)處理功能、連網(wǎng)通訊功能等多種性能，是名符其實的多功能控制器。由PLC 為主構成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強大、性價比高等優(yōu)點，是目前工業(yè)自動化的首選控制裝置。1、開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。2、運動控制PLC可用于圓周運動或直線運動的控制，世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能。3、閉環(huán)過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。4、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。5、通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC 廠商都十分重視PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產的PLC 都具有通信接口，通信非常方便。根據(jù)本控制系統(tǒng)的控制要求應該選擇可編程序控制器控制。綜上所述，由于PLC為主構成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強大、性價比高，是目前工業(yè)自動化的首選控制裝置。故選擇PLC來實施本次設計。第2章 機械手控制系統(tǒng)的硬件設計2.1 硬件選型2.1.1 PLC 機型選擇機型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、維護使用方便及最佳的性能價格比。具體應考慮的因素如下所述：1結構合理對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好、維修量較小的場合，選用整體式結構的PLC；否則，選用模塊式結構的PLC，物料混合控制系統(tǒng)的設計選用整體式結構的PLC 能夠達到要求。2功能強、弱適當對于開關量控制的工程項目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的PLC，西門子公司的S7-200 系列機或歐姆龍公司的COM1。3機型統(tǒng)一PLC 的結構分為整體式和模塊式兩種。整體式結構把PLC 的I/O 和CPU 放在一塊印刷電路板上，并封裝在一個殼體內，省去了插接環(huán)節(jié)，因此體積小、價格便宜。但由于整體式結構的PLC 功能有限，只適用于控制要求比較簡單的系統(tǒng)。一般大型的控制系統(tǒng)都使用模塊式結構，這樣功能易擴展，比整體式靈活。一個大型企業(yè)選用PLC 時，盡量要做到機型統(tǒng)一。由于同一機型的PLC，其模塊可互為備用，以便備件的采購和管理；另外，功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術人員的培訓；其外部設備通用也有利于資源共享。若配備了上位計算機，可把各獨立系統(tǒng)的多臺PLC 聯(lián)成一個多級分布式控制相互通信，集中協(xié)調管理。物料混合控制系統(tǒng)控制要求比較簡單選擇整體式結構的PLC。4是否在線編程PLC 的特點之一是使用靈活。當被控設備的工藝過程改變時，只需用編程器重新修改程序，就能滿足新的控制要求，給生產帶來很大方便。PLC 的編程分為離線編程和在線編程兩種。離線編程的PLC，其主機和編程器共用物料混合控制系統(tǒng)采用離線編程。5PLC 的環(huán)境適應性由于PLC 是直接用于工業(yè)控制的工業(yè)控制器，生產廠家都把它設計成能在惡劣的環(huán)境條件下可靠地工作。盡管如此，每種PLC 都有自己的環(huán)境技術條件，用戶在選用時，特別是在設計控制系統(tǒng)時，對環(huán)境條件要進行充分的考慮。一般PLC及其外部電路（I/O 模塊、輔助電源等）都能在下列環(huán)境條件下可靠工作：溫度：工作溫度055，最高為60儲存溫度： -4085濕度：相對濕度5%95%(無凝結霜)振動和沖擊： 滿足國際電工委員會標準電源：交流220V，允許變化范圍為-15%15%，頻率為4753Hz瞬間停電保持l0ms環(huán)境：周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕性氣體對于需要應用在特殊環(huán)境下的PLC，要根據(jù)具體的情況進行合理的選擇。2.1.2 PLC 容量選擇PLC 容量包括兩個方面：一是I/O 的點數(shù)；二是用戶存儲器的容量（字數(shù)）。PLC 容量的選擇除滿足控制要求外，還應留有適當?shù)脑Ａ?，以做備用。根?jù)經(jīng)驗，在選擇存儲容量時，一般按實際需要的10%25%考慮裕量。對于開關量控制系統(tǒng)，存儲器字數(shù)為開關量I/O 乘以8；對于有模擬量控制功能的PLC，所需存儲器字數(shù)為模擬內存單元數(shù)乘以100。通常，一條邏輯指令占用存儲器一個字。計時、計數(shù)、移位及算術運算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎噶钫加么鎯ζ鲀蓚€字。各種指令占存儲器的字數(shù)可查閱PLC 產品使用手冊。I/O 點數(shù)也應留有適當裕量。由于目前I/O 點數(shù)較多的PLC 價格也較高，若備用的I/O 點的數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后的調整和擴充，通常I/O 點數(shù)按實際需要的10%15%考慮備用量。2.1.3 I/O 模塊的選擇PLC 是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產設備或工業(yè)生產過程，它的工作環(huán)境是工業(yè)生產現(xiàn)場。它與工業(yè)生產過程的聯(lián)系是通過I/O 接口模塊可以檢測被控生產過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制器對被控制對象進行控制的依據(jù)。同時控制器又通過I/O 接口模塊將控制器的處理結果送給工業(yè)生產過程中的被控設備，驅動各種執(zhí)行機構來實現(xiàn)控制。外部設備或生產過程中的信號電平各種各樣，各種機構所需的信息電平也是各種各樣的，而PLC 的CPU 所處理的信息只能是標準電平，所以I/O 接口模塊還需實現(xiàn)這種轉換。PLC 從現(xiàn)場收集的信息及輸出給外部設備的控制信號都需經(jīng)過一定距離。為了確保這些信息的正確無誤，PLC 的I/O 接口模塊都具有較好的抗干擾能力。根據(jù)實際需要，PLC 相應有許多種I/O 接口模塊，包括開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊，可以根據(jù)實際需要進行選擇使用。1確定I/O 點數(shù)I/O 點數(shù)的確定要充分的考慮到裕量，能方便地對功能進行擴展。對一個控制對象，由于采用不同的控制方法或編程水平不一樣，I/O 點數(shù)就可能有所不同。2開關量I/O標準的I/O 接口用于同傳感器和開關（如按鈕、限位開關等）及控制（開/關）設備（如指示燈、報警器、電動機起動器等）進行數(shù)據(jù)傳輸。典型的交流I/O 信號為24240V（AC），直流I/O 信號為524V（DC）。3選擇開關量輸入模塊主要從下面兩方面考慮：一是根據(jù)現(xiàn)場輸入信號與PLC 輸入模塊距離的遠近來選擇電平的高低。一般24V 以下屬于低電平，其傳輸距離不宜太遠。如12V 電壓模塊一般不超過10m，距離較遠的設備選用較高電壓模塊比較可靠。二是高密度的輸入模塊，如32 點輸入模塊，能允許同時接通的點數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般同時接通的點數(shù)不得超過總輸入點數(shù)的60%。4選擇開關量輸出模塊時應從以下三個方面來考慮：一是輸出方式選擇。輸出模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出。二是輸出電流的選擇。模塊的輸出電流必須大于負載電流的額定值，如果負載電流較大，輸出模塊不能直接驅動時，應增加中間放大環(huán)節(jié)。對于電容性負載、熱敏電阻負載，考慮到接通時有沖擊電流，要留有足夠的余量。三是允許同時接通的輸出點數(shù)。在選用輸出點數(shù)時，不但要核算一個輸出點的驅動能力，還要核算整個輸出模塊的滿負荷負載能力，即輸出模塊同時接通點數(shù)的總電流值不得超過模塊規(guī)定的最大允許電流值。2.1.4 電源模塊的選擇電源模塊的選擇一般只需考慮輸出電流。電源模塊的額定輸出電流必須大于處理器模塊、I/O 模塊、專用模塊等消耗電流的總和。以下步驟為選擇電源的一般規(guī)則：1確定電源的輸入電壓；2將框架中每塊I/O 模塊所需的總背板電流相加，計算出I/O 模塊所需的總背板電流值；3I/O 模塊所需的總背板電流值再加上以下各電流：1） 框架中帶有處理器時，則加上處理器的最大電流值；2） 當框架中帶有遠程適配器模塊或擴展本地 I/O 適配器模塊時，應加上其最大電流值。4如果框架中留有空槽用于將來擴展時，可做以下處理；1） 列出將來要擴展的 I/O 模塊所需的背板電流；2） 將所有擴展的 I/O 模塊的總背板電流值與步驟。5在框架中是否有用于電源的空槽，否則將電源裝到框架的外面。6根據(jù)確定好的輸入電壓要求和所需的總背板電流值，從用戶手冊中選擇合適的電源模塊。具體應考隨著 PLC 技術的發(fā)展，PLC 產品的種類越來越多，而且功能也日益完善。PLC 的種類繁多，其結構、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等各有不同，當然使用場合也有所不同。因此選擇合理的PLC 對提高PLC 控制系統(tǒng)技術經(jīng)濟指標意義重大。因此在選擇機型時不僅要滿足其功能要求及維護等方面的慮：1）合理的結構形式2）安裝方式的選擇3）相當?shù)墓δ芤?）系統(tǒng)可靠性的要求綜上所述，根據(jù)控制系統(tǒng)要求選擇 S7-200系列PLC，S7-200系列PLC屬于小型整體式結構的PLC，本機自帶RS485通信接口，內置電源和I/O 接口，它的結構小巧，運行速度快，可靠性高，具有極其豐富的指令系統(tǒng)和擴展模塊，實時性和通信能力強大，便于操作，易于掌握，性價比高，是中小規(guī)模控制系統(tǒng)的理想控制設備。2.2 機械手的基本構造及PLC I/O點分配2.2.1 系統(tǒng)組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成，各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。圖2-1 機械手控制系統(tǒng)關系框圖2.2.2 執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。機械手各部分組成列表2-1。實物圖如圖2-2，各部分簡化結構如圖2-3所示。執(zhí)行機構手部驅動系統(tǒng)動力源手腕控制調節(jié)裝置手臂輔助裝置立柱控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)行走機構定位控制系統(tǒng)機座位置檢測裝置表2-1 機械手各部分組成列表 圖2-2 實物圖 圖2-3 各部分結構圖（1）機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。（2）立柱立柱是支撐手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱可移式立柱。（3）手臂手臂是支撐被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等）與驅動源（如液壓、氣壓或電機等）相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。（4）手腕手腕式連接手部和手臂的部件，并可用調整被抓去物件的方位。手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所手的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉勇董事在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。（5）手部手部即與不加接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為加持是和吸附式手部。夾持式手部由手指和傳動機構所組成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較為廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓去物件的表面形狀、被抓部位和物件的重量及尺寸。（6）行走機構當工業(yè)機械手需要完成膠原距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾動、軌道燈行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾動運行則應另外增設機械傳動裝置。2.2.3、機械手PLC的模擬實驗面板圖中的啟動、停止用動斷按鈕來實現(xiàn)，限位開關用鈕子開關來模擬，電磁閥的原位指示燈用發(fā)光二極管來模擬。2.2.4 機械手PLC的I/O分配1、PLC的I/O口接線圖：（如下圖）2、經(jīng)過系統(tǒng)控制功能分析，本設計需要輸入點6個，輸出點7個。共計13個，具體如下表：表2-2輸入接線SDSQ1SQ2SQ3 SQ4輸出接線YV1YV2YV3YV4YV5HLLEDI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.62.3 主電路的設計2.3.1 機械結構和控制要求模擬實驗面板圖中為一個將工件由A處傳送到B處的機械手，上升/下降和左移/右移的執(zhí)行用雙線圈二位電磁閥推動氣缸完成。當某個電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的機械動作，例如一旦下降的電磁閥線圈通電，機械手下降，即使線圈再斷電，仍保持現(xiàn)有的下降動作狀態(tài)，直到相反方向的線圈通電為止。另外，夾緊/放松由單線圈二位電磁閥推動氣缸完成，線圈通電執(zhí)行夾緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。設備裝有上、下限位和左、右限位開關，它的工作過程如圖所示，有八個動作，即為：原位 下降 夾緊 上升 右移 左移 上升 放松 下降2.3.2 主電路圖的設計在我們分析與討論過程中，畫出主回路原理圖如圖2-3所示。本次主電路設計運用雙線圈二位電磁閥推動氣缸完成。該電路帶有短路保護、過載保護、欠壓和失壓保護等。FU為熔斷器實現(xiàn)短路保護，BB熱繼電器實現(xiàn)過載保護，欠壓和失壓保護依靠接觸器本身實現(xiàn)。在控制線路中KM1/KM2、KM3/KM4、KM5/KM6兩兩之間應設計互鎖控制線路如圖2-5（其余以此類推）圖2-4 主回路原理圖圖2-5 KM1和KM2互鎖控制線路表2-3 機械手工作狀態(tài)表接觸器觸電工作狀態(tài)KM2、KM4線圈得電原位指示燈亮表明機械手工作在原點位置最左邊和最上邊KM1線圈得電主觸點閉合模擬指示燈接通，機械手工作下降的位置KM5線圈得電主觸點閉合模擬指示燈接通，機械手工作在夾緊位置KM2線圈得電主觸點閉合模擬指示燈接通，機械手工作在上升位置KM3線圈得電主觸點閉合模擬指示燈接通，機械手工作在右移位置KM4線圈得電主觸點閉合模擬指示燈接通，機械手工作在左移位置KM6線圈得電主觸點閉合模擬指示燈接通，機械手工作在放松位置第3章 機械手控制系統(tǒng)的軟件設計3.1程序設計的一般方法3.1.1 經(jīng)驗設計法經(jīng)驗設計法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設計的基礎上，根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗進行選擇、組合。這種方法對于一些簡單的控制系統(tǒng)的設計是比較湊效的，可以收到快速、簡單的效果。經(jīng)驗設計法的具體步驟如下：1確定輸入/輸出電器；2確定輸入和輸出點的個數(shù)、選擇PLC 機型、進行I/O 分配；3做出系統(tǒng)動作工程流程圖；4選擇PLC 指令并編寫程序；5編寫其它控制要求的程序；將各個環(huán)節(jié)編寫的程序聯(lián)系起來，即得到一個滿足控制要求的程序。3.1.2 邏輯設計法繼電器、交流接觸器的觸點都只有兩種狀態(tài)即：斷開和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設計電氣控制線路是完全可以的。該方法是根據(jù)數(shù)字電子技術中的邏輯設計法進行PLC 程序的設計，它使用邏輯表達式描述問題。在得出邏輯表達式后，根據(jù)邏輯表達式畫出梯形圖。3.1.3 順序設計法對那些按動作的先后順序進行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設計法進行編程。順序控制法規(guī)律性很強，雖然編程相當長，但程序結構清晰、可讀性。在用順序控制設計法編程時，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉換順序及其轉換條件。綜上所述，本控制系統(tǒng)采用順序設計法設計。3.2 PLC 控制的相關流程圖3.2.1 控制流程圖機械手控制系統(tǒng)的循環(huán)過程如下圖3-1；機械手系統(tǒng)控制流程如下圖3-2圖3-2 機械手控制流程圖3.3 可編程控制器梯形圖3.3.1可編程控制器梯形圖簡介標準語言梯形圖語言也是我們最常用的一種語言，它有以下特點 1. 它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點、線圈、串聯(lián)等術語和一些圖形符號構成，左右的豎線稱為左右母線，左邊畫輸入、右邊畫輸出。 2. 梯形圖中接點（觸點）只有常開和常閉，接點可以是PLC輸入點接的開關，也可以是PLC內部繼電器的接點或內部寄存器、計數(shù)器等的狀態(tài)。 3. 梯形圖中的接點可以任意串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。 4. 內部繼電器、計數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能做中間結果供CPU 內部使用。 5. PLC 是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點的值在用戶程序中可以當作條件使用。 梯形圖的編制采用STEP7Micro/WIN32軟件，STEP7Micro/WIN32軟件是西門子S7-200PLC 的開發(fā)工具，主要用于開發(fā)程序，也可用于實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件具有 Windows 應用軟件的通用界面,易學易用。3.3.2 相關程序段1、機械手原位程序2、下限位指示燈的顯示3、移位脈沖：當I0.0=1時，產生移位信號；當I0.1=1，停止下降，并產生移位信號，機械手抓取物件，定時器延時1.7s，當下一個移位信號來時，執(zhí)行上升和保持夾緊動作；I0.2=1，機械手停止上升，同時右移；I0.3=1，機械手停止右移，并執(zhí)行下降動作；I0.1=1，機械手停止下降，并松開，T38延時1.5s當下一個移位脈沖到來，I0.1=0，機械手又上升；I0.2=1，機械手停止上升；I0.3斷開，左移；I0.4=1,機械手停止左移，移位寄存器全部復位；完成了一個工作周期。4、T37的延時程序，延時1.7s5、當M20.0=1時，原位只指示燈亮，并閃爍，此時處于待機狀態(tài)。6、T38延時程序，延時1.5s梯形圖過程詳細分析（完整程序見附件1，語句表見附件2）1、初始狀態(tài) 當機械手處于原位時，上升限位開關I0.2、左限位開關I0. 4均處于接通（“1”狀態(tài)），移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端接通，使M10.0置“1”，Q0.5線圈接通，原位指示燈亮。2、控制過程如下：（1）按下啟動按鈕，I0.0置“1”，產生移位信號，M10.0的“1”態(tài)移至M10.1，下降閥輸出繼電器Q0.0接通，執(zhí)行下降動作，由于上升限位開關I0.2斷開，M10.0置“0”，原位指示燈滅。（2）當下降到位時，下限位開關I0.1接通，產生移位信號，M10.0的“0”態(tài)移位到M10.1，下降閥Q0.0斷開，機械手停止下降，M10.1的“1”態(tài)移到M10.2，M20.0線圈接通，M20.0動合觸點閉合，夾緊電磁閥Q0.1接通，執(zhí)行夾緊動作，同時啟動定時器T37，延時1.7秒。（3）機械手夾緊工件后，T37動合觸點接通，產生移位信號，使M10.3置“1”，“0”態(tài)移位至M10.2，上升電磁閥I0.2接通，I0.1斷開，執(zhí)行上升動作。由于使用S指令，M20.0線圈具有自保持功能，Q0.1保持接通，機械手繼續(xù)夾緊工作。（4）當上升到位時，上限位開關I0.2接通，產生移位信號，“0”態(tài)移位至M10.3，Q0.2線圈斷開，不再上升，同時移位信號使M10.4置“1”態(tài)，I0.4斷開，右移閥繼電器Q0.3接通，執(zhí)行右移動作。（5）待移至右限位開關動作位置，I0.3動合觸點接通，產生移位信號，使M10.3的“0”態(tài)移位到M10.4，Q0.3線圈斷開，停止右移，同時M10.4的“1”態(tài)已移到M10.5，Q0.0線圈再次接通，執(zhí)行下降動作。（6）當下降到使I0.1動合觸點接通位置，產生移位信號，“0”態(tài)移至M10.5，“1”態(tài)移至M10.6，Q0.0線圈斷開，停止下降，R指令使M20.0復位，Q0.1線圈斷開，機械手松開工作；同時T38啟動延時1.5秒，T38動合觸點接通，產生移位信號，使M10.6變?yōu)椤?”態(tài)，M10.7為“1”態(tài)，Q0.2線圈再度接通，I0.1斷開，機械手又上升，行至上限位置，I0.2觸點接通，M0.7變?yōu)椤?”態(tài)，M11.0為“1”態(tài)，Q0.2開，停止上升，Q0.4線圈接通，I0.3斷開，左移。（7）到達左限位開關位置，I0.4觸點接通，M11.0為“0”態(tài)，M11.1為“1”態(tài)，移位寄存器全部復位，Q0.4線圈斷開，機械手回到原位，由于I0.2、I0.4均接通，M10.0被置“1”，完成一個工作周期。（8）再次按下啟動按鈕，將重復上述動作。3.3.3 改進方案設計一、改進方案1、當發(fā)生操作錯誤時保持當前狀態(tài)暫停工作，發(fā)出報警，手爪不松開，持續(xù)夾緊物體。2、在機械手爪處增添兩個壓力傳感器（一個安裝在橫向位置（a），一個安裝在縱向位置（b）和超聲波，防止在夾取物體的時候壓力過小或過大（采用PID控制）：（1）當壓力過小時，物體滑落，超聲波傳感器模塊（紅外線測距）測定到離物體的距離增加，并立即向PLC反饋距離信號，此時PLC接收信號，并對機械手發(fā)出夾緊信號，當物體不在移動時，PLC讀取壓力傳感器的值，然后保持壓力，直至移動到目的地。（2）當壓力過大時，縱向位置的壓力傳感器（a+N）檢測出物體的重量，此時與橫向位置（a）的壓力傳感器電壓進行對比，反饋回PLC，再由PLC進行處理：（注：N表示一個定值，此值是在重力的基礎上加上的一定的值，原理是重力要略小于提物體的力，才能保證物體不下滑）二、改進所用到的硬件1、兩個壓力傳感器（BF1K-3AA）（如圖3-6）；2、一個超聲波測距儀模塊（HC-SR04）；3、PLC；4、導線及其他機械手部件。 圖3-6 壓力傳感器（BFIK-3AA）實物圖 圖3-7 超聲波測距測距傳感器（HC-SR04）實物圖三、改進原理及思路1、當發(fā)生操作錯誤時保持當前狀態(tài)暫停工作，發(fā)出報警，手爪不松開，持續(xù)夾緊物體。即當操作出現(xiàn)兩個及以上動作：上限位和下限位開關同時閉合時，此時發(fā)生錯誤，則進行報警。此改進僅需要利用PLC編程即可實現(xiàn)，程序如下2、在機械手爪處增添兩個壓力傳感器和超聲波測距儀傳感器，進行機械手夾力的控制。一個安裝在橫向位置（a），一個安裝在縱向位置（b）和超聲波，防止在夾取物體的時候壓力過大或過?。海?）當壓力過小時，物體滑落，超聲波測距模塊測定到離物體的距離增加，向PLC反饋距離信號，此時PLC接收信號，并對機械手發(fā)出夾緊信號，當物體不再移動時，PLC讀取壓力傳感器的值，然后保持壓力，直至移動到目的地。（2）當壓力過大時，縱向位置的壓力傳感器（a）檢測出物體的重量， 并通過對易拉罐力的控制規(guī)律，輸出一個合適的值（Nx）。（此處需要聯(lián)系到實際物體的重力，表面摩擦因素，及加速時的加速度而定這個力的大小，需根據(jù)實際物體才能計算出。）四、 實驗分析及設計1、機械手爪受力分析：如下圖圖中A為機械手爪處，F(xiàn)1為物件對機械手爪的彈力，F(xiàn)2是物件對機械手爪的摩擦力；超聲波傳感器的安裝位置如圖所示，在機械手的手掌處。2、PID反饋控制圖（在此只設計出PID控制器的大致框圖）3、超聲波測距模塊超聲波發(fā)生器發(fā)生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板，當兩極外加脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動共振板震動，從而產生超聲波；同理，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片產生振動，將機械能轉換為電信號。測距原理如圖3-6所示。圖3-6超聲波測距原理圖被測距離d=s2-(h/2)2。式中：s為超聲波傳播距離；h為發(fā)射探頭與被接收探頭之間的距離。由于s遠大于h，因此可近似認為d=s，則d=s=ct/2,t為超聲波與接收超聲波的時間間隔，c為超聲波在空氣中的傳播速度。在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334m/s，但是其傳播速度c易受空氣中溫度的影響。但是在被系統(tǒng)中不需要測量太遠的距離所以影響可忽略不計。超聲波放大轉換電路的簡圖如下壓力傳感器放大轉換電路的簡圖如下第4章 系統(tǒng)調試根據(jù)設計機械手控制系統(tǒng)的梯形圖，選用STEP7Micro/WIN32軟件和天科TKPLC-A實驗裝置機械手模擬實驗區(qū)進行調試。由于本次設計改進部分在實驗面板上模擬受到限制。但是根據(jù)實驗與分析，該系統(tǒng)是可以正常運用到實際系統(tǒng)中的。下圖為實驗的連接圖1、連接好實物圖后，打開實驗板總開關，給PLC、實驗面板供上電，下面是上電時的狀態(tài)：原位指示燈亮2、按下啟動按鈕：原位指示燈熄滅，機械手下降并夾緊，夾緊指示燈亮。3、下限位開關閉合，下限位指示燈亮，夾緊指示燈亮4、閉合上限位開關，上限位開關指示燈亮，夾緊指示燈保持亮：5、閉合右限位開關，右限位指示燈亮，夾緊指示燈持續(xù)亮6、閉合下限位開關，下限位指示燈亮；機械手放下物體，夾緊指示燈熄滅。7、閉合上限位開關，上限位指示燈亮；夾緊指示燈熄滅8、閉合左限位開關，左限位指示燈亮；夾緊指示燈熄滅。9、循環(huán)：10、或者回到原位：11、錯誤時，采用一個LED模擬，當LED亮時則說明出現(xiàn)錯誤。結論（1）本設計主要闡述機械手的自動控制，機械手依次完成：下降夾緊上升右移下降放松上升左移（回到原位）八個動作，實現(xiàn)機械手一個周期的動作，機械手的下降、上升、左移的動作轉換靠限位開關來控制，而夾緊、放松動作的轉換是由時間繼電器來控制的。（2）盡管課程設計內容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的使用調節(jié)，各種設備的選用標準，各種繼電器的安裝方式，我都是隨著設計的不斷深入而不斷熟悉并學會應用的。與老師的交流溝通也使我從各種角度設計有了新的認識也對自己提出了新的要求。（3）由于客觀條件的限制，本設計中沒有對硬件系統(tǒng)進行安裝、對整個系統(tǒng)進行現(xiàn)場調調試和安裝運行都無法完成。若以后條件允許，可以對以上設計進行進一步的完善。設計總結（1）本次設計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變，控制程序可調，因此適用面更廣。（2）該機械手可以選擇配置普通夾持手指，以抓取一般工件；也可更換噴射式氣流負壓吸盤，以吸附玻璃、地磚等板料關盤、磁盤等薄型不透氣工件，使機械手的用途更多，使用范圍更廣。另外，該機械手既可以用于搬運小型零件，也可供教學、實驗使用。（3）采用電擊轉動，動作迅速，反應靈敏，能實習啊過載保護，便于自動控制，工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。應用電力，不會污染環(huán)境，同時成本低廉。（4）機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進行實踐控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。（5）如果該PLC程序再和組態(tài)監(jiān)控軟件連接將能更形象的表達出機械手的實時工作過程，可達到操作遠程監(jiān)控機械運轉的效果，讓操作人員遠離惡劣的工作環(huán)境，但遺憾的是我們沒有做出組態(tài)的動畫效果。謝辭我完成這篇畢業(yè)論文，得到了許多人的幫助。首先，我要特別感謝我的指導老師徐全老師。在我設計過程中，徐老師付出了大量的心血和汗水，無論是在課程設計的選題、構思和資料的收集方面，還是在課程設計的分析設計以及成文定稿方面，我都得到了徐老師細心、耐心地輔導和熱情的幫助，他指導我說明書一定要嚴格按照畢業(yè)設計的格式去寫，并且要有自己的觀點和看法。他廣博的學識、嚴謹?shù)闹螌W精神和一絲不茍的工作作風深深影響了我，使我終身受益。在此我表示真誠地感謝。同時要感謝的是我們組的成員在做畢業(yè)設計中給予了許多的有益建議和熱情的幫助，讓我開闊了思路。經(jīng)過努力，我們順利的完成了機械搜控制系統(tǒng)的設計。這是對我們所學知識的一次綜合運用，通過設計鞏固了專業(yè)理論知識，培養(yǎng)和提高了獨立分析能力，同時也培養(yǎng)了團隊協(xié)作能力。同時也使我深刻的體會到了時間