课程设计（论文）基于西门子PLC的机械手设计

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1、 摘要 机械手是工业控制和加工中经常用到的执行部件，具有能适应恶劣工作 环境、效率高、安全稳定和可进行高强度工作的优点，在自动化生产线上有 广泛的应用。 在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等 连续性生产过程的自动化已基本得到解决。专用机床是大批量生产自动化的 有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多 品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、 搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工 序的自动化而生产的。机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进 行自动控制使其按照预定要求输送制品或操

2、持工具进行生产操作的自动化生 产设备。自上世纪六十年代，PLC 设计的机械手被实现为一种产品后，对它 的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和 安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增 强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。 关键字：机械手 PLC 现代工业 目 录 目 录 .1 第一章 概述 .2 1.1 机械手 PLC 的应用和发展 .2 1.2 PLC 选取 .3 1.3 系统的整体设计分析 .4 第二章 硬件设计 .5 2.1 机械结构和控制要求 .5 2.2 输入/输出点地址分配 .5 2.3 主电路图 .6 第三章 系统软件设计

3、 .7 3.1 机械手的运行流程 .7 3.2 机械手运行梯形图 .8 3.3 机械手运行指令表 .13 第四章 系统调试 .16 4.1 使用设备 .16 4.2.调试过程 .16 设计总结 .17 参考文献 .18 第一章 概述 1.1 机械手 PLC 的应用和发展 随着科学技术的发展，电气控制领域取得了很大的发展，也得了越来 越多的应用。可编程控制器（PLC）的应用使电气控制技术发生了根本的变 化。术的发展，电气控制技术在各个领域，特别是在机电自动控制技术、数 字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。 PLC 作为先进的、应用势头最强的工业控制器风靡全球，与 CAD/CA

4、M 和工业机器人一起成为现代工业控制的三大支柱。PLC 控制已经 完整的形成了工业控制器系列。其功能从初期的主要替代继电器、接触器的 简单功能，发展到接近目前通用的计算机所具有的强大软硬件功能。 在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等 连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等 生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、 数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的 重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有 待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75

5、% 是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有 50 件以下，零件真正在机 床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里看出，装卸、搬运等工序 机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。 自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在 不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生 化分析仪） ，从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在 卫生领域的机械手因采用样品品单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计， 造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。 随着技术的进步，机械手的设 计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。比

6、如美国 OI 公司的产品， 可针对单一项目，次序加 4 种试剂，加热温度也提高到 50 ，检测器则 采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。有专家估 计未来 10 年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有 50 被全自动化学 分析机械手取代。 通过了解上述两类产品的技术特点我们不难看出，机械手 具有微升级试剂消耗，不受模板束缚，分析中不同检测项目可穿插完成，可 完成研发性波长扫描优化检测条件，用户可自行设计新的检测项目，体积小， 甚至可做现场快速分析等特点。 由此也不难看出，以前流动分析中不适合的 用户群，如样品检测单一种类少而样品量多的情况，为机械手的应用提供了 可能性。对卫

7、生行业的快速分析中，也因新型机械手的设计特点而使取代昂 贵的试剂，降低分析成本成为可能。机械手不能完全取代流动分析产品一个 重要的理由是：一些特殊样品处理技术不能在线实现，如萃取、高温蒸馏， 需要离线进行，相信随着技术的进步，这些方面的技术也会提高。正如一句 广告语所讲的“没有最好，只有更好” 。且现代化的注塑机常常配置有机械 手，以提高生产效率。注塑机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对 其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动 化生产设备。注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减 轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率

8、、 稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到 及其重要的作用。 PLC 也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线 控制系统，PLC 更是其中的主角，起应用面越来越广.目前，世界上有 200 多 厂家生产 300 多品种 PLC 产品，应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/ 矿山、纸浆/造纸等行业。PLC 的主要应用范围通常可分成以下几种： 1 中小型电气控制系统。 2 制造业自动化。 3 运动控制。 4 流程工业自动化。 1.2 PLC 选取 由于市场的需求和西门子 PLC 的广泛应用所以我选取的是 S7-200.我们 对其进行简要说明： S7-2

9、00 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，下图展示一台 S7-200 Micro PLC 的 CPU22*系列 PLC 的 CPU 外型图如图 2，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，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 PLC 模块的选择：采用 CPU224 的主机和输

10、出扩展模块 EM222 简要介绍对 扩展模块的选取： S7-200PLC 的 I/O 扩展模块有： 1.输入扩展模块 EM221: 共有 3 种产品，即 8 点和 16 点 DC、8 点 AC。 2.输出扩展模块 EM222：共有 5 种产品，即 8 点 DC 和 4 点 DC、8 点 AC、8 点继电器和 4 点继电器。 3.输入/输出混合模块 EM223：共有 6 种产品。其中 DC 输入/DC 输出的有 3 种，DC 输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为 4 点、 8 点和 16 点。 4.模拟量输入扩展模块 EM231。 5.模拟量输出扩展模块 EM232。 6.

11、模拟量输入/输出扩展模块 EM235。 1.3 系统的整体设计分析 整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作，工件通过光电开光进 行检测。机械手的各个动作由汽缸驱动，而汽缸由相应的电磁阀控制。机械 手的全部动作由 PLC 控制完成。 第二章 硬件设计 2.1 机械结构和控制要求 图中为一个将工件由一处传送到另一处的机械手，上升/下降和左移/右 移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一 直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即 使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。 另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成

12、，线圈通电执行夹紧动作， 线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工 作过程如图所示，有八个动作且运行方式分为单步，单周期，连续三种模式。 2.2 输入/输出点地址分配 输入点： 输出点： 启动按钮 SB1 I0.0 原始位开关 HL Q0.5 停止按钮 SB2 I0.5 抓球电磁铁 YV2 Q0.1 下限为开关 SQ1 I0.1 下行接触器 YV1 Q0.0 上限位开关 SQ2 I0.2 上行接触器 YV3 Q0.2 右限位开关 SQ3 I0.3 右行接触器 YV4 Q0.3 左限位开关 SQ4 I0.4 左行接触器 YV5 Q0.4 2.PLC 外围接线图如图 2-

13、1: 图 2-1 PLC 外围接线图 YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、HL 分别接主机的输出点 Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5；SB1、SB2 分别接主机的输入点 I0.0、I0.5；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 分别接主机的输入点 I0.1、I0.2、I0.3、I0.4。 2.3 主电路图 图 2-2 三相异步电动机正反转电路 第三章 系统软件设计 3.1 机械手的运行流程 原始位置 下降 加紧 上升 右行 下降 放松 上升 左行 工作流程图书 3-1 3.2 机械手运行梯形图 3.3 机械手运行指令表 TITLE=程序注释 Network 1 单周期循

14、环控制 LD I1.1 O M0.0 AN I0.5 = M0.0 Network 2 置位初始状态 S0.0 LD SM0.1 S S0.0, 1 Network 3 初始状态 S0.0 LSCR S0.0 Network 4 原始位置指示灯 LD I0.2 A I0.4 AN Q0.1 = Q0.5 Network 5 按启动按钮，状态转移 LD I1.1 SCRT S0.1 Network 6 SCRE Network 7 LSCR S0.1 Network 8 机械手下行 LDN I0.1 = Q0.0 Network 9 下行时状态转移 LD I0.1 SCRT S0.2 Netwo

15、rk 10 SCRE Network 11 LSCR S0.2 Network 12 机械手抓球 LD SM0.0 S Q0.1, 1 TON T37, 20 Network 13 抓球时间到状态转移时间 LD T37 SCRT S0.3 Network 14 SCRE Network 15 LSCR S0.3 Network 16 机械手上行 LDN I0.2 = Q0.2 Network 17 上行状态转移 LD I0.2 SCRT S0.4 Network 18 SCRE Network 19 LSCR S0.4 Network 20 机械手右行 LDN I0.3 = Q0.3 Netw

16、ork 21 右行状态转移 LD I0.3 SCRT S0.5 Network 22 SCRE Network 23 机械手下行 LSCR S0.5 Network 24 机械手下行转移 LDN I0.1 = Q0.7 Network 25 LD I0.1 SCRT S0.6 Network 26 SCRE Network 27 LSCR S0.6 Network 28 机械手放球 LD SM0.0 R Q0.1, 1 TON T38, 30 Network 29 放球时间到状态转移 LD T38 SCRT S0.7 Network 30 SCRE Network 31 LSCR S0.7 N

17、etwork 32 放球后上行 LDN I0.2 = Q0.6 Network 33 上行后状态转移的 LD I0.2 SCRT S1.0 Network 34 SCRE Network 35 LSCR S1.0 Network 36 机械手左移 LDN I0.4 = Q0.4 Network 37 左移后，单周期移到 S0.0 循环转移到 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 系统调试 4.1 使用设备 在调试中使用的是中国.启动新科教电子仪器公司所生产的 XK-TPLC C 型

18、 可编程 PLC 控制仪。主机用的 CPU226，还用了 EM223 和 EM235 两个扩展模块。 4.2.调试过程 首先用电脑在 STEP-7-Micro/WIN 编程软件中将编辑的梯形图写入软件中， 然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载 到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按 钮。启动后发现上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这样就不 符合设计中八个动作依次有序进行操作的要求，务必对其进行修正。在这种 情况下我采取了以下方案： 方案一：在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行 了检测，发现不曾在任何问题，在这

19、种情况下我选择了再一次用先前的步骤 来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现运行的结果和先 前一样出现灯均亮。这样方案一就以失败告终。 方案二：通过对程序的再三检查后，发现并未出现语法上的错误。会 不会是运行的速度太快而出现一个周期接一个周期的快速运行呢？在带着这 个问题的情况下把程序的每个动作网络多家了一个 stop 指令加以验证，然后 将程序写入 STEP-7-Micro/WIN 编程软件中运行，运行结果显示没有错误；再 下载到可编程控制仪后接好线按下启动按钮，发现指示灯会按照设计动作的 要求依次亮起而且程序也能按照设计的要求完成指定的单周期和多周期操作。 这样利用方案二就完成

20、了整个实验的调试。 设计总结 通过这次机械手设计让我知道了现代企业在完成自动化控制中离不开 PLC 的控制，它可以使企业在生产的同时减少劳动力和生产成本。目前我国 很多地区的企业整个生产设备还比较落后且大部分工序都是通过人工来完成 的，而机械手成本比较低且操作简单很适合中小企业的发展要求。但随着科 技不断进步我相信多功能复杂的机械手将会在不久的将来出现，所以在今后 的学习和生活中我们还要不段的学习和创新，只有这样才能设计出更符合现 代社会所需求的产品。以下是我对其在未来发展方向及展望： 首先，我要郑重地感谢韩老师。自我因个人兴趣而选择本论文主题开始， 老师便给予充分的理解和支持，就论文的立意选

21、材、谋篇布局做了必不可少 的指导。总之，在老师和同学的帮助下，使我能够成功的完成这次设计并对 电气控制与 PLC 应用这门课有了更深入的了解，同时也认识到自己的不足之 处，以后能够更好的改正。在此，对老师和帮助我的同学说声谢谢！ 参考文献 1 姚伯威、吕强.机电一体化原理及应用M.北京:国防工业出版社, 2004.215-220 2 王永华.现代电气控制及 PLC 应用技术(第三版) M.北京:北京航空航天 大学出版社,2008.193-196 3 戴文进、杨植树.电气工程及其自动化专业英语M.北京：电子工业出版 社，2007 4 丁玉美、高西全.数字信号处理(第二版) M.西安:西安电子科技大学出 版社,2008