基于西門子PLC的機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、摘要 機(jī)械手是工業(yè)控制和加工中經(jīng)常用到的執(zhí)行部件，具有能適應(yīng)惡劣工作 環(huán)境、效率高、安全穩(wěn)定和可進(jìn)行高強(qiáng)度工作的優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化生產(chǎn)線上有 廣泛的應(yīng)用。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題。化工等 連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的 有效的辦法；控制機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多 品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、 搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工 序的自動(dòng)化而生產(chǎn)的。機(jī)械手是能夠模仿人體上肢的部分功能，可以對(duì)其進(jìn) 行自動(dòng)控制使其按照預(yù)定要求輸送制品或操持

2、工具進(jìn)行生產(chǎn)操作的自動(dòng)化生 產(chǎn)設(shè)備。自上世紀(jì)六十年代，PLC 設(shè)計(jì)的機(jī)械手被實(shí)現(xiàn)為一種產(chǎn)品后，對(duì)它 的開發(fā)應(yīng)用也在不斷發(fā)展，它可以在減輕繁重的體力勞動(dòng)、改善勞動(dòng)條件和 安全生產(chǎn)；提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、降低廢品率、降低生產(chǎn)成本、增 強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力等方面起到及其重要的作用。 關(guān)鍵字：機(jī)械手 PLC 現(xiàn)代工業(yè) 目 錄 目 錄.1 第一章 概述.2 1.1 機(jī)械手 PLC 的應(yīng)用和發(fā)展.2 1.2 PLC 選取.3 1.3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分析.4 第二章 硬件設(shè)計(jì).5 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制要求.5 2.2 輸入/輸出點(diǎn)地址分配 .5 2.3 主電路圖.6 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).7 3.1 機(jī)械

3、手的運(yùn)行流程.7 3.2 機(jī)械手運(yùn)行梯形圖.8 3.3 機(jī)械手運(yùn)行指令表.13 第四章 系統(tǒng)調(diào)試.16 4.1 使用設(shè)備.16 4.2.調(diào)試過程.16 設(shè)計(jì)總結(jié).17 參考文獻(xiàn).18 第一章 概述 1.1 機(jī)械手 PLC 的應(yīng)用和發(fā)展 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣控制領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，也得了越來 越多的應(yīng)用。可編程控制器（PLC）的應(yīng)用使電氣控制技術(shù)發(fā)生了根本的變 化。術(shù)的發(fā)展，電氣控制技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域，特別是在機(jī)電自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù) 字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。 PLC 作為先進(jìn)的、應(yīng)用勢(shì)頭最強(qiáng)的工業(yè)控制器風(fēng)靡全球，與 CAD/CAM 和工業(yè)機(jī)器人一起成為現(xiàn)代工業(yè)控制

4、的三大支柱。PLC 控制已經(jīng) 完整的形成了工業(yè)控制器系列。其功能從初期的主要替代繼電器、接觸器的 簡(jiǎn)單功能，發(fā)展到接近目前通用的計(jì)算機(jī)所具有的強(qiáng)大軟硬件功能。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ?連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等 生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效的辦法；控制機(jī)床、 數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的 重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有 待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75% 是小批量生產(chǎn)，金屬加工生產(chǎn)批量中

5、有四分之三有 50 件以下，零件真正在機(jī) 床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5%。從這里看出，裝卸、搬運(yùn)等工序 機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而生產(chǎn)的。 自上世紀(jì)六十年代，機(jī)械手被實(shí)現(xiàn)為一種產(chǎn)品后，對(duì)它的開發(fā)應(yīng)用也在 不斷發(fā)展，最典型的發(fā)展是生產(chǎn)者將此產(chǎn)品大量應(yīng)用于衛(wèi)生行業(yè)（全自動(dòng)生 化分析儀） ，從而實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)生檢驗(yàn)中急需短時(shí)間、大量樣品數(shù)據(jù)的要求，但在 衛(wèi)生領(lǐng)域的機(jī)械手因采用樣品品單一酶試劑顯色法，且采用濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 造成試劑價(jià)格昂貴，限制了產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械手的設(shè) 計(jì)已經(jīng)實(shí)破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。比如美國(guó) OI 公司的產(chǎn)品， 可針對(duì)單

6、一項(xiàng)目，次序加 4 種試劑，加熱溫度也提高到 50 ，檢測(cè)器則 采用二極管陳列技術(shù)，這些進(jìn)步為新領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)大支持。有專家估 計(jì)未來 10 年，全自動(dòng)流動(dòng)分析儀的市場(chǎng)份額中，將有 50 被全自動(dòng)化學(xué) 分析機(jī)械手取代。 通過了解上述兩類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)我們不難看出，機(jī)械手 具有微升級(jí)試劑消耗，不受模板束縛，分析中不同檢測(cè)項(xiàng)目可穿插完成，可 完成研發(fā)性波長(zhǎng)掃描優(yōu)化檢測(cè)條件，用戶可自行設(shè)計(jì)新的檢測(cè)項(xiàng)目，體積小， 甚至可做現(xiàn)場(chǎng)快速分析等特點(diǎn)。 由此也不難看出，以前流動(dòng)分析中不適合的 用戶群，如樣品檢測(cè)單一種類少而樣品量多的情況，為機(jī)械手的應(yīng)用提供了 可能性。對(duì)衛(wèi)生行業(yè)的快速分析中，也因新型機(jī)械手的

7、設(shè)計(jì)特點(diǎn)而使取代昂 貴的試劑，降低分析成本成為可能。機(jī)械手不能完全取代流動(dòng)分析產(chǎn)品一個(gè) 重要的理由是：一些特殊樣品處理技術(shù)不能在線實(shí)現(xiàn)，如萃取、高溫蒸餾， 需要離線進(jìn)行，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些方面的技術(shù)也會(huì)提高。正如一句 廣告語所講的“沒有最好，只有更好” 。且現(xiàn)代化的注塑機(jī)常常配置有機(jī)械 手，以提高生產(chǎn)效率。注塑機(jī)械手是能夠模仿人體上肢的部分功能，可以對(duì) 其進(jìn)行自動(dòng)控制使其按照預(yù)定要求輸送制品或操持工具進(jìn)行生產(chǎn)操作的自動(dòng) 化生產(chǎn)設(shè)備。注塑機(jī)械手是為注塑生產(chǎn)自動(dòng)化專門配備的機(jī)械，它可以在減 輕繁重的體力勞動(dòng)、改善勞動(dòng)條件和安全生產(chǎn)；提高注塑成型機(jī)的生產(chǎn)效率、 穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、降低廢品率、降低生

8、產(chǎn)成本、增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力等方面起到 及其重要的作用。 PLC 也被廣泛地在流程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中使用，一直到現(xiàn)在的現(xiàn)場(chǎng)總線 控制系統(tǒng)，PLC 更是其中的主角，起應(yīng)用面越來越廣.目前，世界上有 200 多 廠家生產(chǎn) 300 多品種 PLC 產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車、糧食加工、化學(xué)/制藥、金屬/ 礦山、紙漿/造紙等行業(yè)。PLC 的主要應(yīng)用范圍通常可分成以下幾種： 1 中小型電氣控制系統(tǒng)。 2 制造業(yè)自動(dòng)化。 3 運(yùn)動(dòng)控制。 4 流程工業(yè)自動(dòng)化。 1.2 PLC 選取 由于市場(chǎng)的需求和西門子 PLC 的廣泛應(yīng)用所以我選取的是 S7-200.我們 對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要說明： S7-200 系列是一類可編程邏輯控制器（M

9、icro PLC） 。這一系列產(chǎn)品可 以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制需要，下圖展示一臺(tái) S7-200 Micro PLC 的 CPU22*系列 PLC 的 CPU 外型圖如圖 2，具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低 廉的價(jià)格以及強(qiáng)大的指令，使得 S7-200 可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要 求。此外，豐富的 CPU 類型和電壓等級(jí)使其在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問題時(shí)， 具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。 S7-200 CPU 模塊包括一個(gè)中央處理器單元（CPU） 、電源以及數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。 PLC 模塊的選擇：采用 CPU224 的主機(jī)和輸出擴(kuò)展模塊 EM222 簡(jiǎn)要介紹對(duì)

10、擴(kuò)展模塊的選?。?S7-200PLC 的 I/O 擴(kuò)展模塊有： 1.輸入擴(kuò)展模塊 EM221: 共有 3 種產(chǎn)品，即 8 點(diǎn)和 16 點(diǎn) DC、8 點(diǎn) AC。 2.輸出擴(kuò)展模塊 EM222：共有 5 種產(chǎn)品，即 8 點(diǎn) DC 和 4 點(diǎn) DC、8 點(diǎn) AC、8 點(diǎn)繼電器和 4 點(diǎn)繼電器。 3.輸入/輸出混合模塊 EM223：共有 6 種產(chǎn)品。其中 DC 輸入/DC 輸出的有 3 種，DC 輸入/繼電器輸出的有三種，它們對(duì)應(yīng)的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)分別為 4 點(diǎn)、 8 點(diǎn)和 16 點(diǎn)。 4.模擬量輸入擴(kuò)展模塊 EM231。 5.模擬量輸出擴(kuò)展模塊 EM232。 6. 模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊 EM235

11、。 1.3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分析 整個(gè)系統(tǒng)由操控面板來完成整個(gè)機(jī)械手的的操作，工件通過光電開光進(jìn) 行檢測(cè)。機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作由汽缸驅(qū)動(dòng)，而汽缸由相應(yīng)的電磁閥控制。機(jī)械 手的全部動(dòng)作由 PLC 控制完成。 第二章 硬件設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制要求 圖中為一個(gè)將工件由一處傳送到另一處的機(jī)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(dòng)氣缸完成。當(dāng)某個(gè)電磁閥線圈通電，就一 直保持現(xiàn)有的機(jī)械動(dòng)作，例如一旦下降的電磁閥線圈通電，機(jī)械手下降，即 使線圈再斷電，仍保持現(xiàn)有的下降動(dòng)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(dòng)氣缸完成，線圈通電執(zhí)行夾緊動(dòng)作， 線圈斷電時(shí)

12、執(zhí)行放松動(dòng)作。設(shè)備裝有上、下限位和左、右限位開關(guān)，它的工 作過程如圖所示，有八個(gè)動(dòng)作且運(yùn)行方式分為單步，單周期，連續(xù)三種模式。 2.2 輸入/輸出點(diǎn)地址分配 輸入點(diǎn)： 輸出點(diǎn)： 啟動(dòng)按鈕 SB1 I0.0 原始位開關(guān) HL Q0.5 停止按鈕 SB2 I0.5 抓球電磁鐵 YV2 Q0.1 下限為開關(guān) SQ1 I0.1 下行接觸器 YV1 Q0.0 上限位開關(guān) SQ2 I0.2 上行接觸器 YV3 Q0.2 右限位開關(guān) SQ3 I0.3 右行接觸器 YV4 Q0.3 左限位開關(guān) SQ4 I0.4 左行接觸器 YV5 Q0.4 2.PLC 外圍接線圖如圖 2-1: 圖 2-1 PLC 外圍接線圖

13、 YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、HL 分別接主機(jī)的輸出點(diǎn) Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5；SB1、SB2 分別接主機(jī)的輸入點(diǎn) I0.0、I0.5；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 分別接主機(jī)的輸入點(diǎn) I0.1、I0.2、I0.3、I0.4。 2.3 主電路圖 圖 2-2 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)電路 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械手的運(yùn)行流程 原始位置 下降 加緊 上升 右行 下降 放松 上升 左行 工作流程圖書 3-1 3.2 機(jī)械手運(yùn)行梯形圖 3.3 機(jī)械手運(yùn)行指令表 TITLE=程序注釋 Network 1 單周期循環(huán)控制 LD I1.1 O M0.0

14、 AN I0.5 = M0.0 Network 2 置位初始狀態(tài) S0.0 LD SM0.1 S S0.0, 1 Network 3 初始狀態(tài) S0.0 LSCR S0.0 Network 4 原始位置指示燈 LD I0.2 A I0.4 AN Q0.1 = Q0.5 Network 5 按啟動(dòng)按鈕，狀態(tài)轉(zhuǎn)移 LD I1.1 SCRT S0.1 Network 6 SCRE Network 7 LSCR S0.1 Network 8 機(jī)械手下行 LDN I0.1 = Q0.0 Network 9 下行時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移 LD I0.1 SCRT S0.2 Network 10 SCRE Network

15、 11 LSCR S0.2 Network 12 機(jī)械手抓球 LD SM0.0 S Q0.1, 1 TON T37, 20 Network 13 抓球時(shí)間到狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)間 LD T37 SCRT S0.3 Network 14 SCRE Network 15 LSCR S0.3 Network 16 機(jī)械手上行 LDN I0.2 = Q0.2 Network 17 上行狀態(tài)轉(zhuǎn)移 LD I0.2 SCRT S0.4 Network 18 SCRE Network 19 LSCR S0.4 Network 20 機(jī)械手右行 LDN I0.3 = Q0.3 Network 21 右行狀態(tài)轉(zhuǎn)移 LD I

16、0.3 SCRT S0.5 Network 22 SCRE Network 23 機(jī)械手下行 LSCR S0.5 Network 24 機(jī)械手下行轉(zhuǎn)移 LDN I0.1 = Q0.7 Network 25 LD I0.1 SCRT S0.6 Network 26 SCRE Network 27 LSCR S0.6 Network 28 機(jī)械手放球 LD SM0.0 R Q0.1, 1 TON T38, 30 Network 29 放球時(shí)間到狀態(tài)轉(zhuǎn)移 LD T38 SCRT S0.7 Network 30 SCRE Network 31 LSCR S0.7 Network 32 放球后上行 LD

17、N I0.2 = Q0.6 Network 33 上行后狀態(tài)轉(zhuǎn)移的 LD I0.2 SCRT S1.0 Network 34 SCRE Network 35 LSCR S1.0 Network 36 機(jī)械手左移 LDN I0.4 = Q0.4 Network 37 左移后，單周期移到 S0.0 循環(huán)轉(zhuǎn)移到 S0.1 LD I0.4 LPS A M0.0 SCRT S0.1 LPP AN M0.0 SCRT S0.0 Network 38 SCRE 第四章 系統(tǒng)調(diào)試 4.1 使用設(shè)備 在調(diào)試中使用的是中國(guó).啟動(dòng)新科教電子儀器公司所生產(chǎn)的 XK-TPLC C 型 可編程 PLC 控制儀。主機(jī)用的

18、CPU226，還用了 EM223 和 EM235 兩個(gè)擴(kuò)展模塊。 4.2.調(diào)試過程 首先用電腦在 STEP-7-Micro/WIN 編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中， 然后點(diǎn)擊運(yùn)行并對(duì)其指出的錯(cuò)誤進(jìn)行修改，修改完最終運(yùn)行無誤后將其下載 到可編程控制儀器中；其次按照設(shè)計(jì)的要求接好線，確定無誤后按下啟動(dòng)按 鈕。啟動(dòng)后發(fā)現(xiàn)上行、下行、左行、右行燈均同時(shí)亮且一直亮著，這樣就不 符合設(shè)計(jì)中八個(gè)動(dòng)作依次有序進(jìn)行操作的要求，務(wù)必對(duì)其進(jìn)行修正。在這種 情況下我采取了以下方案： 方案一：在沒有確定設(shè)備是否曾在問題的情況下，首先我們對(duì)設(shè)備進(jìn)行 了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不曾在任何問題，在這種情況下我選擇了再一次用先前的步驟

19、來完成整個(gè)過程以確定初次的接線過程是否有誤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行的結(jié)果和先 前一樣出現(xiàn)燈均亮。這樣方案一就以失敗告終。 方案二：通過對(duì)程序的再三檢查后，發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)語法上的錯(cuò)誤。會(huì) 不會(huì)是運(yùn)行的速度太快而出現(xiàn)一個(gè)周期接一個(gè)周期的快速運(yùn)行呢？在帶著這 個(gè)問題的情況下把程序的每個(gè)動(dòng)作網(wǎng)絡(luò)多家了一個(gè) stop 指令加以驗(yàn)證，然后 將程序?qū)懭?STEP-7-Micro/WIN 編程軟件中運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果顯示沒有錯(cuò)誤；再 下載到可編程控制儀后接好線按下啟動(dòng)按鈕，發(fā)現(xiàn)指示燈會(huì)按照設(shè)計(jì)動(dòng)作的 要求依次亮起而且程序也能按照設(shè)計(jì)的要求完成指定的單周期和多周期操作。 這樣利用方案二就完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的調(diào)試。 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過這

20、次機(jī)械手設(shè)計(jì)讓我知道了現(xiàn)代企業(yè)在完成自動(dòng)化控制中離不開 PLC 的控制，它可以使企業(yè)在生產(chǎn)的同時(shí)減少勞動(dòng)力和生產(chǎn)成本。目前我國(guó) 很多地區(qū)的企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備還比較落后且大部分工序都是通過人工來完成 的，而機(jī)械手成本比較低且操作簡(jiǎn)單很適合中小企業(yè)的發(fā)展要求。但隨著科 技不斷進(jìn)步我相信多功能復(fù)雜的機(jī)械手將會(huì)在不久的將來出現(xiàn)，所以在今后 的學(xué)習(xí)和生活中我們還要不段的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，只有這樣才能設(shè)計(jì)出更符合現(xiàn) 代社會(huì)所需求的產(chǎn)品。以下是我對(duì)其在未來發(fā)展方向及展望： 首先，我要鄭重地感謝韓老師。自我因個(gè)人興趣而選擇本論文主題開始， 老師便給予充分的理解和支持，就論文的立意選材、謀篇布局做了必不可少 的指導(dǎo)?？?/p>

21、之，在老師和同學(xué)的幫助下，使我能夠成功的完成這次設(shè)計(jì)并對(duì) 電氣控制與 PLC 應(yīng)用這門課有了更深入的了解，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到自己的不足之 處，以后能夠更好的改正。在此，對(duì)老師和幫助我的同學(xué)說聲謝謝！ 參考文獻(xiàn) 1 姚伯威、呂強(qiáng).機(jī)電一體化原理及應(yīng)用M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2004.215-220 2 王永華.現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù)(第三版) M.北京:北京航空航天 大學(xué)出版社,2008.193-196 3 戴文進(jìn)、楊植樹.電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)英語M.北京：電子工業(yè)出版 社，2007 4 丁玉美、高西全.數(shù)字信號(hào)處理(第二版) M.西安:西安電子科技大學(xué)出 版社,2008 tgKQcW

22、A3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FH