基于西門(mén)子s7-200plc對(duì)機(jī)械手搬物控制的電氣設(shè)計(jì)

1、Xxoo 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目基于西門(mén)子s7-200plc對(duì)機(jī)械手搬物控制的電氣設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)機(jī)電設(shè)備維修與管理學(xué)生姓名指導(dǎo)教師畢業(yè)時(shí)間2014年7月摘要機(jī)械手能在許多勞動(dòng)過(guò)程中模仿人的各種動(dòng)作.機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。本次PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是通過(guò)機(jī)械手實(shí)物教學(xué)模型來(lái)模擬使用S7-200來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)涵蓋了PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)，機(jī)械手實(shí)物教學(xué)模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、汽缸、氣夾等機(jī)械部件組成。在電氣方面有步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、限位開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成同時(shí)采用西門(mén)子S7-200可編

2、程控制器。編程方面采用順序控制來(lái)編程，先畫(huà)出流程圖，然后一步一步編程，子程序需要個(gè)PLC控制步進(jìn)電機(jī)程序。最后加一個(gè)手動(dòng)控制機(jī)械手的程序， 并做出面控制面板來(lái)。通信并把程序下載到PLC上，實(shí)現(xiàn)用控制面板手動(dòng)控制機(jī)械手。關(guān)鍵字：可編程控制器PLC，機(jī)械手，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)，傳感器目 錄第一章 引言4第二章 plc及其應(yīng)用62.1 PLC的概念62.2 PLC的組成62.3 PLC工作原理及其特點(diǎn)82.4 PLC的應(yīng)用8第三章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)93.1氣動(dòng)機(jī)械手的控制要求93.2氣動(dòng)機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)103.3系統(tǒng)的控制面板操作與工作方式103.4 本章小結(jié)11第四章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3、124.1可編程控制器的CPU選擇124.2氣動(dòng)機(jī)械手的I/O地址分配表124.3 PLC外部接線圖134.4 氣動(dòng)機(jī)械手控制流程圖144.5 程序設(shè)計(jì)梯形圖154.6 本章小結(jié)15第五章 系統(tǒng)調(diào)試165.1 使用設(shè)備165.2 調(diào)試過(guò)程16第六章 設(shè)計(jì)總結(jié)17致謝詞19參考文獻(xiàn)20附 錄21梯形圖21第一章 引言在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)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(zhuān)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

4、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(kāi)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

5、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(zhuān)家估計(jì)未來(lái)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(guò)了解上述兩類(lèi)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(hù)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(hù)群，如樣品檢

6、測(cè)單一種類(lèi)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(yǔ)所講的“沒(méi)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(zhuān)門(mén)配備的機(jī)械，它可以在減輕繁重的體力勞動(dòng)、改

7、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。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。近20年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動(dòng)技術(shù)從開(kāi)關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高

8、；由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)發(fā)研究。 從各國(guó)的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，近30多年來(lái)，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代，液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國(guó)家，該比例已達(dá)到6:4，甚至接近5:5。我國(guó)的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20%以上，高于中國(guó)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動(dòng)

9、、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作”。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等?，F(xiàn)代汽車(chē)制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車(chē)身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車(chē)身外殼被真空吸盤(pán)吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個(gè)工序過(guò)程的高度

10、自動(dòng)化，堪稱(chēng)是最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用之一。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤(pán)將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運(yùn)送到指定目標(biāo)位置。對(duì)加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。氣動(dòng)機(jī)械手用于對(duì)食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動(dòng)計(jì)量包裝；用于煙草工業(yè)的自動(dòng)卷煙和自動(dòng)包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)加蓋、安裝和擰緊氣動(dòng)機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動(dòng)機(jī)械手等。此外，氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣

11、動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)病床，Robodoc機(jī)器人，da Vinci外科手術(shù)機(jī)器人等。第二章 plc及其應(yīng)用2.1 PLC的概念可編程序控制器，英文稱(chēng)Programmable Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PC。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫(xiě)。它是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專(zhuān)為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)

12、合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，使用戶(hù)程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶(hù)在購(gòu)到所需的PLC后，只需按說(shuō)明書(shū)的提示，做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶(hù)程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。2.2 PLC的組成PLC的構(gòu)成： PLC的類(lèi)型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機(jī)、輸入/輸出接口、電源擴(kuò)展器

13、接口和外部設(shè)備接口等幾個(gè)主要部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1 PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PLC的各組成元素的構(gòu)成及功能：1、CPU的構(gòu)成及功能-CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令

14、規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。2、I/O模塊- PLC與電氣回路的接口，是通過(guò)輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O種類(lèi)有開(kāi)關(guān)量輸入（DI），開(kāi)關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等。3、內(nèi)存-內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。不同機(jī)型的PLC期內(nèi)存大小也不盡相同，除主機(jī)單元的已有的內(nèi)存區(qū)外，大部分機(jī)型還可根據(jù)用戶(hù)具體需要加以擴(kuò)展。4、電源模塊-PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路

15、提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類(lèi)型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。 5、底板或機(jī)架-大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問(wèn)底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。6、PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備-i) 編程設(shè)備：編程器是PLC開(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編寫(xiě)程序、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。某些PLC也配有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。ii)

16、 人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面也非常普及。iii)輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲(chǔ)用戶(hù)數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫(xiě)入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。7、PLC的通信聯(lián)網(wǎng)-依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來(lái)越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點(diǎn)說(shuō)法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)

17、現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 PLC的通信，還未實(shí)現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，PLC各廠家均有采用。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來(lái)講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先,網(wǎng)絡(luò)必須是開(kāi)放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來(lái)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和機(jī)制的前提下進(jìn)行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適用性等具體問(wèn)題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。2.3 PLC工作原理及其特點(diǎn) PLC的工作原理：PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式

18、進(jìn)行工作的。即在PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶(hù)按控制要求編制好并存于用戶(hù)存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，如無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶(hù)程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開(kāi)始下一輪新的掃描。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的一個(gè)掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。PLC的特點(diǎn)：1抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。2.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。3.編程方便，易于使用。4.功能強(qiáng)大，成本低。5.設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短。6.維護(hù)方便。2.4 PLC的應(yīng)用 初期的PLC主要在以開(kāi)關(guān)量居多的電氣順序控制系

19、統(tǒng)中使用，但在20世紀(jì)90年代后，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(lái)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(chē)、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?？煞殖梢韵聨追N： 中小型電氣控制系統(tǒng)。制造業(yè)自動(dòng)化。運(yùn)動(dòng)控制。 流程工業(yè)自動(dòng)化。第三章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3.1氣動(dòng)機(jī)械手的控制要求氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作示意圖如圖3-1所示，氣動(dòng)機(jī)械手的功能是將工件從A點(diǎn)搬運(yùn)到B點(diǎn)，控制要求為：圖3-1 氣動(dòng)機(jī)械手示意圖1、氣動(dòng)機(jī)械手的升降和左右移動(dòng)分別由不同的雙線圈電磁閥實(shí)現(xiàn)，電磁

20、閥線圈失電時(shí)能保持原來(lái)的狀態(tài)，必須驅(qū)動(dòng)反向的線圈才能反向運(yùn)動(dòng)；2、上升、下降的電磁閥線圈分別為MB2、MB1；右行、左行的電磁閥線圈為MB3、MB4； 3、機(jī)械手的夾鉗由單線圈電磁閥MB5來(lái)實(shí)現(xiàn)，線圈通電夾緊，斷電松開(kāi)；4、機(jī)械手的夾鉗的松開(kāi)，夾緊通過(guò)延時(shí)1.7s實(shí)現(xiàn)；5、機(jī)械手下降、上升、右行、左行的限位由行程開(kāi)關(guān)BG1、BG2、BG3、BG4來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.2氣動(dòng)機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖3-2氣動(dòng)機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖3.3系統(tǒng)的控制面板操作與工作方式3.3.1操作面板操作機(jī)械手用來(lái)將工件從A點(diǎn)搬運(yùn)到B點(diǎn)，輸出Q0.1為1時(shí)工件被夾緊，為0時(shí)被松開(kāi)。工作方式選擇開(kāi)關(guān)的5個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)于5種工作方

21、式，操作面板左下部的6個(gè)按鈕式手動(dòng)按鈕。為了保證在緊急情況下（包括PLC發(fā)生故障時(shí)）能可靠地切斷負(fù)載電源，設(shè)置了交流接觸器QA。PLC開(kāi)始運(yùn)行時(shí)按下“負(fù)載電源”按鈕，使QA線圈得電并自鎖，QA的主觸點(diǎn)接通，給外部負(fù)載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時(shí)用“緊急停車(chē)”按鈕斷開(kāi)負(fù)載電源。3.3.2 氣動(dòng)機(jī)械手的工作方式系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、單周期、連續(xù)、單步和回原點(diǎn)五種工作方式（如圖3-3）。1、手動(dòng)工作方式時(shí)，用I1.3I1.5以及I2.0I2.2對(duì)應(yīng)的6個(gè)按鈕分別獨(dú)立控制機(jī)械手的下降、上升、右行、左行、夾緊、放松；2、回原位工作方式時(shí)，按下“回原位”按鈕，則機(jī)械手自動(dòng)返回原位；3、單步工作方式時(shí)，從初始步開(kāi)始

22、，按一下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成該步的任務(wù)后，自動(dòng)停止工作并停留在該步，再按一下啟動(dòng)按鈕，又往前走一步。單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試；4、單周期的工作方式時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕I0.0后，從初始步M10.3開(kāi)始，機(jī)械手按順序功能圖的規(guī)定完成一個(gè)周期的工作后，返回并停留在初始步；5、連續(xù)工作方式時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕I0.0后，機(jī)械手按順序功能圖的規(guī)定連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止按鈕。圖3-3氣動(dòng)機(jī)械手的控制面板3.4 本章小結(jié)本章主要講述了氣動(dòng)機(jī)械手的控制要求，氣動(dòng)機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，并通過(guò)手動(dòng)、單周期、連續(xù)、單步和回原點(diǎn)五種工作方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)行。 第四章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1可編程控制器

23、的CPU選擇根據(jù)控制要求，分析后知所需17個(gè)輸入5個(gè)輸出，可以選擇西門(mén)子S7-200系列的PLC：1、CPU222(8DI/6DO x DC24V ) 價(jià)格為人民幣1,826.00元和一個(gè)擴(kuò)展模塊EM221(16DI x DC24V) 價(jià)格為人民幣1,022.00元，共需人民幣2848.00元；2、CPU224(14DI/10DO x DC24V ) 價(jià)格為人民幣2,699.00元和一個(gè)擴(kuò)展模塊EM221(8DI x DC24V) 價(jià)格為人民幣698.00元，共需人民幣3397.00元；3、CPU226(24DI/16DO x DC24V ) 價(jià)格為人民幣4,857.00元。在價(jià)格方面考慮理應(yīng)

24、選擇CPU222(8DI/6DO x DC24V )和一個(gè)擴(kuò)展模塊EM221(16DI x DC24V)的PLC ，但是本次課程設(shè)計(jì)的目的是掌握PLC的控制思想，為簡(jiǎn)化繪圖最終選擇CPU226(24DI/16DO x DC24V )的PLC。4.2氣動(dòng)機(jī)械手的I/O地址分配表氣動(dòng)機(jī)械手的I/O地址分配表如表4-1所示：表4-1 氣動(dòng)機(jī)械手的I/0地址分配表控制信號(hào)信號(hào)名稱(chēng)元件名稱(chēng)元件符號(hào)地址編碼輸入信號(hào)啟動(dòng)啟動(dòng)按鈕SF1I0.0下降停止下限位開(kāi)關(guān)BG1I0.1上升停止上限位開(kāi)關(guān)BG2I0.2右行停止右限位開(kāi)關(guān)BG3I0.3左行停止左限位開(kāi)關(guān)BG4I0.4回原位操作回原位開(kāi)關(guān)-I0.5停止停止按

25、鈕SF2I0.6手動(dòng)操作手動(dòng)開(kāi)關(guān)-I0.7單步操作單步開(kāi)關(guān)-I1.0單周期操作單周期開(kāi)關(guān)-I1.1輸入信號(hào)連續(xù)操作連續(xù)開(kāi)關(guān)-I1.2下降下降按鈕SF3I1.3上升上升按鈕SF4I1.4右行右行按鈕SF5I1.5左行左行按鈕SF6I2.0夾緊夾緊按鈕SF7I2.1松開(kāi)松開(kāi)按鈕SF8I2.2輸出信號(hào)下降下降電磁閥MB1Q0.0夾緊、松開(kāi)夾松電磁閥MB5Q0.1上升上升電磁閥MB2Q0.2右行右行電磁閥MB3Q0.3左行左行電磁閥MB4Q0.44.3 PLC外部接線圖PLC外部接線圖的輸入輸出設(shè)備、負(fù)載電源的類(lèi)型等的設(shè)計(jì)是結(jié)合系統(tǒng)的控制要求來(lái)設(shè)定的。氣動(dòng)機(jī)械手控制外部接線圖如圖4-2所示。圖4-2

26、CPU226的I/O接線圖4.4 氣動(dòng)機(jī)械手控制流程圖在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)明確對(duì)象的具體控制要求。由于CPU對(duì)程序的串行掃描工作方式，會(huì)造成輸入輸出的滯后，而由掃描方式引起的滯后時(shí)間，最長(zhǎng)可達(dá)兩個(gè)掃描周期，程序越長(zhǎng)，這種滯后越明顯，則控制精度就越低。因此，在實(shí)現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)使程序盡量簡(jiǎn)潔緊湊。另一方面，同一控制對(duì)象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求或控制時(shí)序會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)，要求程序修改方便、簡(jiǎn)單，即要求程序有較好的柔性。PLC工作原理：接通電源時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始掃描，掃描手動(dòng)開(kāi)關(guān)，是執(zhí)行手動(dòng)操作，手動(dòng)操作不需要按工序順序動(dòng)作；掃描回原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，是執(zhí)行回原點(diǎn)操作；掃描單步開(kāi)關(guān)，是執(zhí)行單步

27、操作；掃描單周期開(kāi)關(guān)，是檢測(cè)是否在原點(diǎn)，是執(zhí)行單周期操作；掃描連續(xù)操作，是檢測(cè)是否在原點(diǎn)，是執(zhí)行連續(xù)操作。除了連續(xù)操作以外，其他操作執(zhí)行完以后自動(dòng)重新掃描。圖4-3氣動(dòng)機(jī)械手控制流程圖4.5 程序設(shè)計(jì)梯形圖程序設(shè)計(jì)的梯形圖如附錄中的附圖1所示，語(yǔ)句表如附錄中的附表1所示。4.6 本章小結(jié)本章主要講述了可編程控制器的CPU選擇根據(jù)控制要求選擇了西門(mén)子S7-200系列的PLC，通過(guò)氣動(dòng)機(jī)械手的I/O地址分配表，PLC外部接線圖，氣動(dòng)機(jī)械手控制流程圖來(lái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的控制。第五章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 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)

28、用的CPU226，還用了EM223和EM235兩個(gè)擴(kuò)展模塊。5.2 調(diào)試過(guò)程首先用電腦在STEP-7-Micro/WIN編程軟件中將編輯的梯形圖寫(xiě)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(wú)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(wú)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(méi)有確定設(shè)備是否曾在問(wèn)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(wèn)題，在這種情況下我選擇了再一次用先前的步驟來(lái)完成整個(gè)過(guò)程以確定初次的接

29、線過(guò)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(guò)對(duì)程序的再三檢查后，發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)語(yǔ)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(wèn)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)懭隨TEP-7-Micro/WIN編程軟件中運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果顯示沒(méi)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。第六章 設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)這次機(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

30、中離不開(kāi)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(guò)人工來(lái)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(lái)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(lái)發(fā)展方向及展望：1、重復(fù)精度化 ：精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確

31、，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的，因此可以通過(guò)編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍，它通過(guò)一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來(lái)測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越來(lái)越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。2、 模塊化：有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱(chēng)為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱(chēng)為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)

32、計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。3、無(wú)給油化：為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求，不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。4、機(jī)電氣一體化：由“可編程序控制器-傳感器-氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開(kāi)關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡(jiǎn)單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來(lái)越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來(lái)越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來(lái)越離不開(kāi)PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更