四轴联动机械手plc控制系统设计

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1、分类号：TP29编号：BY15 5152 11/12/2 14-0801 XXXX大学本科毕业论文题目：四轴联动简易机械手PLC控制系统设计院系： xxxx学院专业：电气工程及其自动化_学生：指导论文提交日期： 2012 年 6 月 21日论文答辩日期： 2012 年 6 月 26日毕业设计论文任务书电气工程及其自动化专业 0801班学生：毕业设计论文题目：四轴联动简易机械手PLC控制系统设计毕业设计论文容：熟悉工艺流程,利用S7-200系列PLC完成四轴联动简易机械手控制系统设计,并进行相应电气系统设计,绘制系统接线图,编程,调试等。毕业设计论文专题部分：系统检测点统计,硬件选型,电气系统设

2、计,使用STEP7 MICRO/WIN组态软件编程,并使用仿真软件进行调试。起止时间： 20XX 03 月- 2012 年 06 月指导签字年月日教研主任：签字年月日学院院长：签字年月日30 / 38摘要可编程序控制器Programmable logic controller简称PLC,因其可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单,应用领域在迅速扩大。尤其是近几年来,PLC的成本下降,功能又不断增强,在国外已被广泛应用于各个行业,已经与工业生产完美的结合在一起。机械工业的发展中,机械手已经广泛应用在各种自动化生产线上。搬运机械手的控制一直是机械手领域重要的研究课题之一。机械手作为一

3、种重要的工业设备,在当今工业生产中占着举足轻重的位置本次设计以某机械手模型作为平台,设计控制系统。该系统利用步进电动机单位脉冲所具有的步进距离不变的特点,对其采用开环点位控制,将整个运动视为折线运动,每一个动作可视为运动程序相同、特征参数各异的点位相对运动。其中如何用PLC准确的控制步进电机的位置与速度将成为本次设计的难点。本文重点分析了基于PLC的机械手控制系统组成,根据课题的控制要求,确定搬运机械手的控制方案,设计控制系统电气原理图,进行控制系统电气元器件选型,完成PLC用户程序的设计,通过模拟调试,有序的控制物料从生产流水线上安全搬离,提高搬运工作的准确性、安全性,实现一套完整的生产线,

4、使制造过程变的更有效率。关键词：机械手; PLC; 步进电机; 梯形图Abstract Programmable is referred as to the PLC. With the high reliability, adaptability in environment and flexibility, the PLC is widely used and expanding in the fields of application. Especially in recent years, the low cost, increased feature without enhanceme

5、nt, therefore, he current PLC has been widely used in various industries inland and abroad,and has been with the industry production perfectly unifies in together. With the development of Machinery industry, the manipulator has been used widely in various automatic production lines. Carrying manipul

6、ator control has been important research problem in manipulator field. As an important industrial equipment, manipulator is a decisive position in the modern industrial production. This design with a manipulator model as a platform, design control system . The system used by the Stepping Motor unit

7、pulse of step with the characteristics of the same distance from their point of using open-loop control. So the whole movement could be seen as broken line movement, every action can be considered the same as sports, characteristics of different parameters of the point of relative movement. Among th

8、em how to use PLC accurate control of the stepping motors position and speed will be the difficulty of this design This paper mainly analyzes the robot control system based on PLC composition. According to the control requirements, determine the subject of carrying manipulator control plan, design c

9、ontrol system to control electrical diagram, electrical components selection, complete system user program design, PLC, ordered by simulative debugging of control the material move out from production lines and improve the safety of the accuracy, security, realize a complete set of production line,

10、make manufacturing process become more efficient. Key Words: Manipulator； PLC； Stepping motor； Ladder-diagram目录第一章绪论11.1机械手的现状11.2机械手的发展11.3 PLC的发展概况21.4 PLC的定义21.5 PLC的特点21.6 PLC的工作原理31.7 课题的目的和意义5第二章机械手控制系统方案设计62.1 设计介绍62.2 机械手基本结构62.3 机械手运行的工艺过程72.4 控制方案设计8第三章控制系统硬件设计93.1 PLC的选型及参数93.2 电气元器件的选型及参

11、数103.2.1 步进电机的选型103.2.2 步进电机驱动113.2.3 直流减速电机123.2.4 继电器123.2.5 光电开关123.2.6 行程开关133.2.7 低压断路器133.2.8 控制按钮133.2.9 熔断器133.3 PLC外部接线图143.3.1 机械手电源回路143.3.2 机械手输入信号回路153.3.3 机械手输出信号回路163.4 PLC控制的安装与布线16第四章机械手控制系统程序设计184.1 设计任务及要求184.2 机械手运动示意图184.3 I/O分配194.4 编程设计思路204.4.1 最大速度和启动/停止速度204.4.2 PTOx_CTRL子程

12、序204.3.3 PTOx_RUN子程序214.4.4PTOx_MAN子程序224.5 步进电机脉冲数的计算23第五章模拟调试245.1 仿真软件调试245.2 实验室调试26设计总结28参考文献29致30第一章绪论1.1 机械手的现状机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种具有抓取和移动工件功能的新型装置。近年来,随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,机器人的研制和生产已成为高技术领域迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作,减轻人类劳动强度,提高劳动生产力。气压传动系统使用安全

13、、可靠,可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射等恶劣环境下工作,而气动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、容易实现过载保护、容易实现复杂的动作等优点。所以,气动机械手得到了越来越广泛的应用,在机械行业中它可用于零部件组装,工件的搬运、装卸,特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。1.2 机械手的发展机械手控制系统是伴随着机械手的发展而进步的。机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的,机械手研究始于20世纪中期,随着计算机和自动化技术的发展,特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人

14、的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时,大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,又为机械手控制系统的开发奠定了基础。机械手首先是在美国开始研制。第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。结构是：主机安装一个回转长臂,长臂顶端有电磁抓放机构。日本在工业上应用机械手最多,发展最快的国家,自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。前联自六十年代开始发展和应用,自1977年,前联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。机械手一般为三类：一是不需要人工控制的通用型机械手。它是不属于其他主机的独立装置,可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。它的特点是具备不同

15、装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能。二是需要人工操作的,起源于原子,军事工业。先是通过操作完成特定工序,后来逐步发展到无线遥控操作。三是专用机械手,通常依附于自动生产线上,用于机床的上下料和装卸工件。这种机械手国外叫做Mechanical Hand。它由主机驱动,工作程序固定,一半是专用的。1.3 PLC的发展概况PLC 是在激烈的市场竞争中产生的,20世纪60年代末,美国汽车制造业竞争激烈。为适应生产工艺不断更新的需要,美国通用汽车公司GM对控制系统提出要求为：1能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统,既传统的继电接触器控制,它简单易懂,价

16、格低廉,能够满足生产工艺改动频繁的需要；2编程简单；3模块式结构；输入、输出电压是交流115V美国标准,输出能直接驱动继电器和电磁阀；4抗电磁干扰强；5具有数据通信功能。就是把继电器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来,用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电接触器控制的硬接线逻辑不易修改。美国数字设备公司DEC在 1969 年根据上述要求,研制出世界上首台可编程控制器,并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功,实现装配线的自动控制。1.4 PLC的定义国际电工委员会International Electrical Committee在1985年的PLC标准草案第3稿

17、中,对PLC做了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入、输出,控制各种类型的机械或生产过程。1.5 PLC的特点1、编程方法简单易学梯形图是使用最多的PLC的编程语言,其电路符号和表达方式与继电器的电路原理图相似,梯形图语言形象直观,易学易懂。2、功能强,性能价格比高一台小型PLC 有成百上千个可供用户使用的编程原件,有很强的功能。可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器控制系统相比,具有很高的性能价格比。PLC可以通

18、过通信联网,实现分散控制,集中管理。3、硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便的进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。4、可靠性高,抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,PLC外部仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件,接线可减少到继电器控制系统的1/101/00,因触点不良造成的故障大为减少。PLC采取一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,可以直接

19、用于有强烈干扰的工业生产现场。5、体积小,能耗低小型的PLC体积仅相当于几个继电器大小,因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多,可以节省大量的配线和附件。6、安装、调试工作量少,维修方便安装简单,维修方便 PLC 不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。1.6 PLC的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态,即运行RUN状态与停止STOP状态。在运行状态,可编程控制器通过执行反映控制要求的

20、用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行,直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。PLC通电后,需要对硬件和软件作一些初始化工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号,初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同任务,这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。(1) 读取输入在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映像区的相应单元。输入采样结束后,转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入数据和状态发生变化

21、I/O映像区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号,它的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。(2) 执行用户程序在用户程序执行阶段,PLC的CPU总是由上而下,从左到右的顺序依次扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算,并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。(3) 通信处理在处理通信请求阶段,CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息,例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中,在适当的时候将信息传送给通信请求方。(4) CPU自诊断测试自诊断

22、测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常,将监控定时器复位,以及完成一些别的部工作。(5) 输出刷新阶段在输出刷新阶段,CPU按照I/O映像区对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路,再经输出电路驱动响应的外设。这时才是PLC真正的输出。(6) 中断程序的处理如果在程序中使用了中断,中断事件发生时,CPU停止正常的扫描工作方式,立即执行中断程序,中断功能可以提高PLC对某些事件的影响速度。(7) 立即I/O处理在子程序执行中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点的值时,相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令读来改写输出点时,相应的输出过程

23、映像寄存器的值被更新。1.7 课题的目的和意义一、提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度,从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、改善劳动条件,避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的,而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业,使劳动条件得以改善。在一些简单、重复,特别是较笨重的操作中,以机械手代替人进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、减轻人力,便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作,这是

24、直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续的工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床的综合加工自动线上,目前几乎都没有机械手,以减少人力和更准确的控制生产的节拍,便于有节奏的进行工作生产。第二章机械手控制系统方案设计控制系统支配着机械手按规定的要求运动。目前机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息,同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。2.1 设计介绍机械手作为一种自动化设施,电气系统应完成预

25、设的动作,实现货物的准确搬运。本课题中的搬运机械手控制系统应具有如下功能：1、控制系统能够根据PLC输入的指令,准确灵活的控制搬运机械手,完成搬运任务；2、控制系统能够保证搬运机械手针对生产任务的要求,能够准确完成货物的搬运,保证快速性和准确性兼顾；2.2 机械手基本结构四轴构成：横向X轴；纵向Y轴；底盘旋转轴；夹手旋转轴。机械手结构如下图2-1所示,有气控机械手、XY轴丝杠组、底盘机构、旋转夹手等组成。其运动控制方式为：由直流电机驱动可旋转角度为90度的气控机械手；由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动；由直流电动机驱动的底盘带动整个机械手。机械手的合由电磁阀控制。图2-1 机械手的结

26、构示意图2.3 机械手运行的工艺过程分析工艺过程：机械手的初始位置停在原点,按下启动后按扭后,完成一个工作周期。工作过程的描述：1) 按下起动按钮系统开始运行。2) 当检查取物点有工件时,机械手水平方向的步进电机开始动作,机械手臂开始前伸。3) 当手臂前伸同时,手臂开始下降。4) 前伸、下降到位后,夹手夹紧工件。5) 夹紧到位后,手臂开始竖直上升。6) 上升到位后,底盘旋转,夹手旋转。7) 底盘、夹手转动到位后,纵轴开始下降。8) 到达指定位置后,夹手开,纵轴上升。9) 上升到位后,夹手回转、底盘回转。10) 夹手、底盘回转到位后,横轴回缩。11) 横轴回缩到位后,机械手臂回到初始状态。2.4

27、 控制方案设计本设计主要是对机械手进行有序的控制,提高搬运工作的准确性、安全性。主要由S7-200PLC来进行控制,通过步进电机,直流减速电机,电磁阀来控制搬运机械手的运动。由于PLC的抗干扰能力强,所以能在恶劣的工作环境中,可靠地完成控制任务,为了使设备便于安装、调试,以及从经济角度考虑,设计出如图2-2所示的机械手控制系统的功能框图。电气控制柜机械手图2-2 机械手控制系统的功能框图机械手完成以上工艺主要是通过机械控制来实现的,即利用PLC控制电动机的转动、步进电机的运行和电磁阀的通断,电动机的转动来驱动机械手臂和夹手的旋转和回转,步进电机控制机械手的上升、下降、伸出和回缩,电磁阀驱机械手

28、爪的夹紧和放松。第三章控制系统硬件设计在确定设计方案之后,根据需要实现的功能以及整个系统的性价比对PLC和电气元器件进行选型,设计机械手电气控制系统。3.1 PLC的选型及参数我选取PLC的是S7-200.对其进行简要说明：S7-200系列是一类可编程逻辑控制器Micro PLC。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令,使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外,丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时,具有很强的适应性。S7-200 CPU模块包括一个中央处理器单元CPU、电源以及数字量I/O点,这

29、些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。PLC CPU 22X的技术参数如图3-1所示图3-1 PLC CPU22X技术参数根据本系统的I/O分配以及脉冲输出频率决定选用CPU 226 的S7 200PLC。3.2 电气元器件的选型及参数3.2.1 步进电机的选型步进电机最大特点是它接受数字控制信号,并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行组件。而且它可开环位置控制,输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量,这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比,其成本明显降低,几乎不必进行系统调整。步进电机在精密小型电动机中是一种应用最为广泛的机种。本次用到的步进

30、电机为2S42Q-02940,如图3-2,步进电机2S42Q-02940参数,如表3-1图3-2 步进电机2S42Q-02940表3-1 步进电机技术参数型号2S42Q-02940步距角1.85%相电流A0.87保持扭矩Nm0.24阻尼扭矩Nm0.02相电阻3.310%相电感mH5.020%电机惯量0.06电机长度Lmm40引线数量4绝缘等级B耐压等级500VAC1分钟最大轴向负载N10最大径向负载N21工作环境温度-2050表面温升最高80两相接通额定电流绝缘阻抗最小100M,500VDC重量kg0.24引出线长度mm5003本课题用到的是两相步进驱动器来完成的步进驱动,PLC无法直接驱动步

31、进电机,所以PLC的输出信号要先经过驱动器进行控制或者细分来使运动更加平稳。3.2.2 步进电机驱动Kinco2M412 步进电机驱动器 ,如图3-3图3-3 步进电机驱动器Kinco2M412Kinco2M412步进电机驱动器参数如表3-2表3-2 2M412步进驱动器技术参数供电电压直流12V-40V输出相电流0.2A-1.2A控制信号输入电流6-20mA冷却方式自然风冷使用环境要求避免金属粉尘、油雾或腐蚀性气体使用环境温度-10到+45使用环境湿度85%非冷凝重量0.13kg3.2.3 直流减速电机直流减速电机技术参数,如表3-3。表3-3 直流电动机技术参数型号额定电压V额定转速额定转

32、矩额定电流额定功率M28-83124300050.171.543.2.4 继电器继电器是一种控制元件,它主要用来反映各种控制信号,其触点通常接在控制电路中。本课题选用JZ11型继电器,具体技术参数参见表3-4。表3-4 JZ-11技术参数型号吸引线圈额定电压V吸引线圈消耗功率W触点额定电流A触点数量JZ-11直流12、24、48、110、220直流7.55动合动断6244263.2.5 光电开关光电开关是利用物体对光束的遮蔽,吸收或反射作用,对物体的位置,形状和标志符号等进行无接触检测。它具有体积小,可靠性高,检测精度高和响应速度快等优点。在光电开关中最重要的是光电器件,把光照强弱的变化转换为

33、电信号的传感元件。光电器件主要由发光二极管,光敏电阻,光电晶体管,光电耦合器等构成了光电开关的传感系统。3.2.6 行程开关行程开关主要用于检测工作机械的位置,发出命令以控制其运动方向或行程长短,行程开关也称位置开关。行程开关按结构分为机械结构的接触式有触电行程开关和电气结构的非接触式接近开关。接触式行程开关靠移动物体碰撞行程开关的操作头而使行程开关的常开触电接通和常闭触电分断,从而实现对电路的控制作用。在本课题中选用KW-7型行程开关。3.2.7 低压断路器低压断路器又称自动开关。它是按规定条件,对配电电路,电动机或其他用电设备实行不频繁通断操作,线路切换,自动分断电路的开关电器,这种开关相

34、当于刀开关,熔断器,热继电器和欠电压继电器的组合,并具有良好的灭弧性能,所以它是低压配电系统中的主要电器元件,作为线路及电源设备过载,欠电压及短路保护用。在本课题中选用DZ15-40/1型低压断路器,具体技术参数参见表3-5。表3-5 低压断路器的技术参数型号额定电压壳架电流脱扣器额定电流DZ15-40/1220/380406、10、16、20、25、32、403.2.8 控制按钮控制按钮是一种短时接通或断开小电流电路的手动主令电器。主要用于操纵接触器,继电器或电气连锁电路,以实现对各种运动的控制。按钮可以做成很多形式,以满足不同的控制或操作需要,结构形式有旋转式,指示灯式,紧急式,揿钮式,带

35、锁式等。为了便于区分各按钮不同的控制作用,通常将按钮做成不同颜色以示区别,以避免误操作。本课题中选用LA10-1控制按钮。3.2.9 熔断器熔断器是低压电路及电动机控制电路中一种最简单而有效地短路保护电器,应用十分广泛。它串联在电路中,当电路发生短路或严重过载时,如流过熔体的电流过大,它本身产生的热量将使熔体熔化而自动分断电路。熔断器参数,如表3-6。表3-6 RL1-15型熔断器技术参数型号额定电压UN/V熔断器额定电流IN/A熔体额定电流INR/ARL1-15直流440152,4,6,10总结：本次设计中的PLC选用西门子S7-200系列的CPU 226 CN DC/DC/DC,直流24V

36、供电,直流数字量输入,晶体管直流电路输出类型。该PLC具有24个数字量输入点,16个数字量输出点,扩展模块数量可达7个。CPU置了2个高速脉冲发生器,2个脉冲发生器分别以CPU本体的Q0.0和Q0.1作为输出通道。电机采用步进电机2S42Q-02940,步距角为1.8度,具有定位准确,转速围大,分辨率高,低速运行平稳,功耗低等优点。步进驱动器采用与该步进电机相匹配的2M412,该驱动器具有脱机、错相保护功能,并采用交流伺服驱动原理,具备交流伺服运转特性,三相正弦电流输出。具有最高可达10000步/转的细分功能,细分可以通过拨动开关设定,保证提供最好的运行平稳性能。输出相电流可以通过驱动器上的相

37、应拨码开关进行设定。具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能,可以大大降低电机的发热。几乎无步进电机常见的共振和爬行区,输出相电流可通过拨动开关设定,运转噪声非常低,接近交流伺服的水平。3.3 PLC外部接线图3.3.1 机械手电源回路机械手电源回路,如图3-4,主要是通过交流220V接开关电源变成直流24V,熔断器起电路保护作用,防止过大电流冲击,当低压断路器QR1闭合,电气控制系统得电。图中电源G1为PLC电源,G2为步进电机电源,G3为直流减速电动机电源。图3-4 机械手电源回路3.3.2 机械手输入信号回路机械手系统PLC输入信号回路,如图3-5所示。I0.0是启动按钮,I0.1是伸出限位

38、开关,I0.2是回缩限位开关,I0.3是上升限位开关,I0.4是下降限位开关,I0.5是夹手旋转限位开关,I0.6是夹手回转限位开关,I0.7是底盘旋转限位开关,I1.0是底盘回转限位开关,I1.1是无工件检测开关, I1.2是PTO0立即停止按钮,I1.3是PTO0减速停止按钮,I1.4是PTO1立即停止按钮,I1.5是PTO1减速停止按钮,I1.6是X轴原点接近开关,I1.7是Y轴原点接近开关,I2.0是X轴复位开关,I2.1是Y轴复位开关。图3-5 PLC输入信号回路3.3.3 机械手输出信号回路PLC输出信号原理图,如图3-6所示通过S7-200PLC的Q0.2、Q0.3控制X轴电机正

39、反转,Q1.1、Q1.2控制Y轴电机正反转。S7-200 PLC Q0.4、Q0.5是机械手夹手旋转,回转的控制端。Q0.6、Q0.7是机械手底盘旋转、回转的控制端。图3-6 PLC输出信号回路3.4 PLC控制的安装与布线1、输入接线1输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小,电压降不大时,输入接线可适当长些。2输入、输出线不能用同一根电缆,输入、输出线要分开。3利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中,防止信号干扰,使PLC输入信号大大增强。2、电源接线电源是PLC引入干扰的主要途径之一,PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源,这对提高PLC的可靠性有很大帮助。PLC的

40、供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备如高频炉、弧焊机等分开。为了提高整个系统的抗干扰能力,可编程序控制器供电回路一般可采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等。隔离变压器是初级和次级之间采用隔离屏蔽层,用漆包线或同等非导磁材料组成,电器回路上不允许短路,两极各引出一个接地抽头。初级与次级之间的静电屏蔽要联结到零点位,接地抽头配电容耦合最后引出到接地点。在选用交流稳压器时,一般可按照实际最大需求容量的130%计算。这样可以保证稳压特性又有助于稳压器工作可靠。PLC供电电源为50Hz、220V10%的交流电。由于本设计使用的是西门子S7-200系列可编程控制器,所以有直流24V输出接线端

41、。该接线端可为输入及传感器如光电开关或接近开关提供直流24V电源。3、接地正确选择接地点,完善接地系统接地的目的通常有两个,其一为了安全,其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言,它属高速低电平控制装置,应采用直接接地方式。良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件,可以避免偶然发生的电压冲击危害。所以我们给可编程控制器接上了专用接地线。第四章机械手控制系统程序设计本章针对机械手控制系统的用户程序进行设计。对设计任务要求、I/O分配、编程设计思路、PTO各个子程序、步进电机脉冲数的计

42、算进行逐一介绍。4.1 设计任务及要求1、通过机械手搬运,把物料从取物点A搬运到放物点B。2、机械手搬运的物料的重量为：2000g。3、轴数：四轴。4、坐标形式：圆柱坐标。5、机械手有升降、回转180度,伸缩、夹手旋转90度功能。6、驱动方式:步进电动机和直流电动机。7、整个控制系统能自动循环工作。8、自动运行调试：依次实现伸出及下降加紧工件上升底盘旋转、夹手旋转再下降放松工件再上升夹手回转、底盘回转回缩动作。4.2 机械手运动示意图 A点 B点图4-1 机械手运动过程示意图如图4-1,为机械手运动过程示意图。A点物体为水平放置,B点物体为竖直放置。4.3 I/O分配名称地址输入信号启动按钮I

43、0.0X轴伸出限位I0.1X轴回缩限位I0.2Y轴上升限位I0.3Y轴下降限位I0.4夹手旋转限位I0.5夹手回转限位I0.6底盘旋转限位I0.7底盘回转限位I1.0无工件检测I1.1PTO0立即停止I1.2PTO0减速停止I1.3PTO1立即停止I1.4PTO1减速停止I1.5X轴原点接近开关I1.6Y轴原点接近开关I1.7X轴复位开关I2.0Y轴复位开关I2.1名称地址输出信号横向脉冲Q0.0纵向脉冲Q0.1X轴电机正转Q0.2X轴电机反转Q0.3夹手电机旋转Q0.4夹手电机回转Q0.5底盘电机旋转Q0.6底盘电机回转Q0.7空气压缩机Q1.0Y轴电机正转Q1.1Y轴电机反转Q1.24.4

44、 编程设计思路选用顺序控制的编程方式。编程中的最大难点是如何来实现PLC对步进电机的控制。由于步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行机构。在STEP7 Micro/WIN的位置控制向导指引下配置S7-200CPU置的脉冲串输出PTO功能,通过Q0.0或Q0.1输出脉冲串来控制步进电机实现轴定位功能。4.4.1 最大速度和启动/停止速度向导将提示您应用程序的最大速度和启动/停止速度。MAX_SPEED：在电机力矩能力围,输入应用中最佳操作速度的数值。驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。位控向导根据指定的MAX_SPEED,计算并

45、显示位控模块所能控制的最小速度。对于PTO输出,您必须指定期望的启动/停止速度。由于启动/停止速度在每次运动指令执行时至少会产生一次,所以启动/停止速度的周期应小于加速/减速时间。SS_SPEED：在电机能力围输入一个数值,以便以较低的速度驱动负载。如果SS_SPEED的数值过低,电机和负载在运动的开始和结束时可能会摇摆或颤动。如果SS_SPEED的数值过高,电机会在启动时丢失脉冲,并且负载在试图停止时会使电机超速。4.4.2 PTOx_CTRL子程序PTOx_,其中x表示通道编号。如图4-2。PTOx_CTRL子程序使能和初始化用于步进电机或伺服电机的PTO输出。在程序中仅能使用该子程序一次

46、,并保证每个扫描周期该子程序都被执行。一直使用SM0.0作为EN输入的输入。I_STOP 输入量为一个布尔量输入。当输入为低电平时,PTO功能正常操作。当输入变为高电平时,PTO立即终止脉冲输出。D_STOP 输入量为一个布尔量输入。当输入为低电平时,PTO功能正常操作。当输入变为高电平时,PTO产生一个脉冲串将电机减速到停止。Done输出是一个布尔量输出。当Done位为高电平时,表明CPU已经执行完子程序。参数Error包含指令的执行结果。图4-2 PTOx_CTRL4.3.3 PTOx_RUN子程序如图4-3。PTOx_RUN子程序命令PLC在一个指定的包络中执行运动操作,此包络存储在组态

47、/包络表中。接通EN位,使能该子程序。确保EN位保持接通,直至Done位指示该子程序已完成。接通START参数以初始化包络的执行。对于每次扫描,当START参数接通且PTO当前未激活时,指令激活PTO。要保证该命令只发一次,使用边沿检测指令以脉冲触发START参数接通。包络参数包含该移动包络的或符号名。接通参数Abort,命令位控模块停止当前的包络并减速直至电机停下。模块完成该指令时,参数Done接通。参数Error包含指令的执行结果。图4-3 PTOx_RUN4.4.4 PTOx_MAN子程序如图4-4。PTOx_MAN子程序使PTO输出置为手动模式。这可以使电机在向导中指定的围以不同速度启

48、动、停止和运行。如果启用了PTOx_MAN子程序,则不应执行其它任何PTOx_RUN或PTOx_ADV指令。允许RUN 参数,命令PTO加速到指定速度。即使在电机运行时,您也可以改变速度参数的值。禁止参数RUN则命令PTO减速,直至电机停止。参数Speed决定RUN使能时的速度。对于超出该围的Speed参数值,速度将限定为启动/停止速度或最大速度。速度是一个每秒多少个脉冲的双整型值。电机运行时可以修改该速度参数。参数Error包含指令的执行结果。图4-4 PTOx_MAN4.5 步进电机脉冲数的计算解决了PLC对步进电机的控制问题以后,接下需要考虑的是具体脉冲数计算问题。本设计采用的是32细分

49、模式,横轴伸缩800mm ,纵轴升降750mm对中间的传动机构进行折算,驱动器采用半步驱动,步距角为0.9度。电动机旋转一周所需的脉冲数,式4-1。 n= 360/0.9*32=12800个4-1步进电动机驱动轮半径为5cm,求得周长,式4-2。L=3.14*50=157 mm 4-2电动机所需转的圈数,式4-3。 m=800/157=5.096 4-3横轴完成一次伸或收缩输出的脉冲数,式4-4 M=5.096*12800=65223个4-4同理纵轴完成一次上升或下降输出的脉冲数,式4-5 N=65223*750/800=61146个4-5注意：为了更好的使用该驱动器,系统接线时应遵循功率线和

50、信号线分开的原则,以避免控制信号被干扰,在有强干扰源存在的情况下,最好用屏蔽电缆传送控制信号;采用较高的电平来传送信号对抵抗干扰也有一定的作用。第五章模拟调试针对本次设计的调试环节,分别进行了仿真软件运行和实验室调试。下面分别介绍两种调试过程。5.1 仿真软件调试打开STEP7-Micro/WIN-然7,编译程序,正确后中点击文件导出。如图5-1。图5-1 文件导出图导出为AWL文件,保存到桌面：如图5-2。图5-2 文件保存图保存打开S7-200仿真软件,点击SIEMENS,在CPU type中选择CPU226。如图5-3。图5-3 CPU选取图点击ProgramLoad Program。如

51、图5-4。图5-4 程序导入图选择文件。如图5-5。图5-5 选择文件图打开文件。如图5-6。图5-6 文件打开图点击绿色三角号运行。如图5-7图5-7 运行图模拟调试完毕。5.2 实验室调试首先选择CPU226,连接电路,在电脑上载入程序,然后调试运行。如图5-8,5-9。图5-8 实验室接线图图5-9 运行显示图设计总结随着科学技术的发展,机械手已经广泛应用在各种自动化生产线上。搬运机械手的控制一直是机械手领域重要的研究课题之一。作为一种重要的工业设备,机械手在当今工业生产中占着举足轻重的位置。本文通过设计基于PLC的控制系统,来实现整个机械手的运动流程,经过系统调试证明工作安全、可靠。总

52、结全文,本人具体做了以下几方面的努力:1设计了机械手控制系统的总体方案。2对PLC、步进电机以及其他电气元件进行选型,设计出了PLC外部接线图。3建立流程图,按流程图编写各部分程序。4对机械手进行调试,完成机械手的整个运动周期。由于毕业设计时间比较紧和个人经验不足,所以论文设计中有很多方面还存在着缺点和漏洞。希望各位老师提供宝贵意见。参考文献1 廖常初.S7-200PLC编程及应用.机械工业.20072 王曙光,秋月,高记.S7-200PLC应用基础与实例.人民邮电.20073 袁川来.基于S7-200的多关节机械手的PLC控制. 现代电子技术.7：113-1154 斌,王立梅.基于S7-20

53、0的多关节机械手的PLC控制.西南民族大学学报自然科学版. 5文方,房弛,芳.基于PLC的机械手控制设计.机床电器6 王永华等.现代电气控制及PLC应用技术M.：航空航天大学,20037 萍.现代电气控制技术.大学.20018 SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册M,20039 廖常初.可编程控制器的编程方法与工业应用M.：大学,200110进秋.可编程控制器原理及应用实例M.：机械工业,200411 戴仙金等.西门子S7-200系列PLC应用与开发M.：中国水利水电, 200712钦和.可编程控制器应用技术与设计实例M.：人民邮电,200413建民.工业机器人

54、M.:理工大学,198814严学高,孟正大.机器人原理M.:东南大学,199215 洪生.气压传动及控制M.:机械工业,198716吴振顺.气压传动与控制M.:工业大学,1995致历经几个月的努力,随着这篇本科毕业论文的最后落笔,我四年的大学生活也即将划上一个圆满的句号。四年的大学生活让人倍感留恋,倍感珍惜。离别在即,站在人生的又一个转折点上,心中难免思绪万千,一种感恩之情油然而生。感生我养我,含辛茹苦的父母。是你们,为我的学习创造了条件；是你们,一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今天。你们,我的父亲母亲。感xxxx大学xxxx学院在我四年的大学生活当中对我的教育与培养

55、,感信息工程学院的所有专业老师,没有你们的辛勤劳动,就没有我们今日的满载而归。尤其要感我的论文指导老师xx老师,他严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。从论文的选题到论文写作的最终完成,老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。诚挚的感xx老师在学习生活和论文写作上的指导和帮助,在此谨向斌老师致以诚挚的意和崇高的敬意。同时也感xxxx大学图书馆的老师为我提供良好的做毕业论文的环境以及实验室老师给予的支持。此外,还要感在百忙中不辞辛劳为我审批论文的领导和老师们。由于我的学术水平有限,所写论文难免有不足之处,恳请各位领导和老师批评和指正。最后,感我的同学和朋友,以及同一论文小组的其他同学,在我写论文的过程中给予了我很多有用的素材和数据资料,还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。