2894 基于S7-200的搬用机械手控制系统设计
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塔里木大学毕业论文(设计)任务书学院 机械电气化工程学院 班级 机械 12-2 班学生姓名 卢宁 学号 8011208216课题名称 基于 S7-200 的搬用机械手控制系统设计起止时间 2011 年 03 月 15 日2011 年 5 月 28 日(共 14 周)指导教师 刘媛媛 职称 讲师课题内容:随着科学技术的进步,机械在现实生活中的普遍应用,以及我国机械自动化的不断提高,机械手已经被广泛应用。机械手在控制器的控制下,可以模仿人的手、腕、臂的动作,按照固定的动作流程进行工作。因此,在许多的工业领域可以代替人的劳动,达到生产自动化。使用机械手,不但降低人的体力劳动,减少人力资源的浪费,而且提高了工作效率,为企业带来更大的经济效益,更有利于企业的发展。主要设计要求和参数:该机械手需要有一个绕竖轴的旋转,一个横轴方向的移动,一个竖轴方向的移动,一个手爪的抓取和放开动作。1、旋转动作。旋转角度范围为 270;2、竖轴移动。竖轴移动范围 0-750mm;3、横轴移动。横轴移动范围 0-750mm;4、末端执行结构。气动的手爪,能实现对工件的夹紧和放松,能抓起 2kg 的重物。拟定工作进度(以周为单位)1.第 12 周 查阅相关文献,撰写开题报告,初步确定大致方案。2.第 36 周 确定方案,初步完成相关设计。3.第 710 周 完善有关细节设计,编写设计说明书。4.第 1112 周 整理资料,检查设计及任务说明书。5.第 13 周 制作 PPT,准备答辩。主要参考文献任务下达人(签字)刘媛媛2011 年 3 月 16 日任务接受人意见任务接受人签名 卢宁 2011 年 3 月 16 日目录1.绪论 .11.1选题的意义和目的 .11.2本课题所涉及的问题及国内(外)研究现状及分析 .11.2.1国外研究现状及分析 .11.2.2国内研究现状及分析 .11.3 PLC简介 .21.4机械手简介 .21.4.1机械手的种类 .21.4.2机械手的组成 .21.5任务的确定 .22.设计方案的选择 .32.1机械手的控制方案设计 .32.1.1用继电器控制 .32.1.2用微机控制 .32.1.3 PLC控制 .32.2机械手的座标型式与自由度的选择 .32.3机械手的驱动方案设计 .42.3.1步进电机的选择 .42.3.2直流电机的选择 .42.3.3步进电机驱动器的选择 .52.3.4直流电机驱动单元 .82.4传感器的选择 .82.4.1接近开关的选择 .82.4.2行程开关的选择 .82.5旋转编码器的选择 .92.6电磁阀的选择 .102.6.1电磁阀的工作原理 .102.6.2电磁阀的分类 .102.7 PLC的选择 .112.7.1 PLC的类型 .112.7.2电源的选择 .122.7.3经济性的考虑 .132.7.4 S7-200的型号选取 .133.仿真 .143.1仿真软件 .143.2 PLC编程 .153.3工位机械手 .16致 谢 .18参考文献 .19附 录 .201基于 S7-200的搬用机械手控制系统设计1.绪论1.1选题的意义和目的在现代工业中,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%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%1。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。在机械工业中,机械手的应用具有以下意义:可以提高生产过程的自动化程度:应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 可以改善劳动条件、避免人身事故:在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,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地完成作业,大大地 改善了工人的劳动条件。同时,在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 1.2本课题所涉及的问题及国内(外)研究现状及分析1.2.1国外研究现状及分析国外机械手在机械制造行业中应用较多,发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化,高速化,多轴化,轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求,运行速度可以达到 3M/S,量新产品达到 6 轴,负载 2KG 的产品系统总重已突破 100KG2。更重要的是将机械 手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时,随着机械手的小型化和微型化,其应用领域将会突破传统的机械领域,而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是:机体上安装一个回转长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构,控制系统是示教形的。1962 年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate(即万能自动) 。运动系统仿照坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学,麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业 3。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手,至 1977 年底,其中一半是国产,一半是进口 4。目前,工业机械手大部分还属于第一代,主要依靠工人进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,是机械手具有感觉机能。2第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。1.2.2国内研究现状及分析目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以,在国内主要是逐步扩大应用范围,重点发展铸造、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件,在应用专用机械手的同时,相应的发展通用机械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机连用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元 5。随着科学技术的进步,机械在现实生活中的普遍应用,以及我国机械自动化的不断提高,机械手已经被广泛应用。机械手在控制器的控制下,可以模仿人的手、腕、臂的动作,按照固定的动作流程进行工作。因此,在许多的工业领域可以代替人的劳动,达到生产自动化。使用机械手,不但降低人的体力劳动,减少人力资源的浪费,而且提高了工作效率,为企业带来更大的经济效益,更有利于企业的发展。1.3 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC 得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。同时, PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器,但 PLC 相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器,现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器 6。可编程控制器的基本原理:PLC 与普通微机在许多方面有相似之处,但其工作方式却与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式,如在常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方式下,有键按下或 I/O 动作则转入相应的子程序,无键按下或 I/O 不动作则继续扫描键盘和 I/O 口。PLC则采用循环扫描动作方式,在 PLC 中用户序按先后顺序存放。1.4机械手简介1.4.1机械手的种类机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手一般分为三类:第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的,称为操作机。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手,主要附属于自动机床或自动线上,用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”,它是为主机服务的,由主机驱动;除少数以外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。在国外,目前主要是搞第一类通用机械手,国外称为机器人 7。1.4.2机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动(摆动) 、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有 23个自由度。 1.5任务的确定控制要求:开机复位横轴前升手旋转到位电磁阀动作,手张开竖轴下降电磁阀动作,手夹紧竖轴上升横轴缩回底盘旋转到位横轴前伸手旋转竖轴下降电磁阀动作,3手张开竖轴上升复位该机械手需要有一个绕竖轴的旋转,一个横轴方向的移动,一个竖轴方向的移动,一个手爪的抓取和放开动作。旋转动作。旋转角度范围为 270;竖轴移动。竖轴移动范围 0-750mm;横轴移动。横轴移动范围 0-750mm;末端执行结构。气动的手爪,能实现对工件的夹紧和放松,能抓起 2kg 的重物。其结构示意图如下图所示:图1-1 机械手的结构示意图其运动控制方式为:三自由度机械手为圆柱坐标型。气控机械手(有光电传感器确定起始0点);机械手手臂的左右运动(左右方向)由步进电机驱动丝杠组件完成,上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制;逆时针和顺时针旋转运动可由回旋360的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成);旋转基座主要支撑以上3部分;机械手的夹紧装置采用关节结构,气控机械手的张合由气压控制压驱动,并由电磁阀控制(充气时机械手抓紧,放气时机械手松开。机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处。SQ1,SQ2,SQ5,SQ6为水平和垂直方向上的限位开关,SQ3,SQ4为原点位置和终点位置的光接近开关。2.设计方案的选择2.1机械手的控制方案设计 目前,对机械手的控制可采用以下几种方式:2.1.1用继电器控制这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功率消耗大,已逐渐被人们所淘汰;2.1.2用微机控制虽然它在智能控制方面有较强大的功能,但它的抗干扰性差,系统设计较复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术,广泛应用也不太容易;2.1.3 PLC控制此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣环境的考验等优越性,已经成为在机械手控制系统中使用最多的控制方式。三自由度机械手系统设置了手动工作方式和自动工作方式。自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式。本设计采用 PLC控制。42.2机械手的座标型式与自由度的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4种: 直角坐标型机械手;圆柱坐标型机械手;球坐标(极坐标)型机械手; 多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,因此本设计采用圆柱坐标型。在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后,根据设计任务,为了满足设计要求,本设计关于机械手具有 3个自由度既:手臂伸缩;手臂回转;手臂升降 3个主要运动。2.3机械手的驱动方案设计驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,既节省了行程开关和 PLC的 IO 端口,又达到了简便操作和精确定位的目的。2.3.1步进电机的选择本次设计采用二相八拍混合式步进电机,主要特点:体积小,具有较高的起动和运行频率,有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法。图2-1 二相八拍步进电机其电气图如图所示: 图2-2 步进电机电气图2.3.2直流电机的选择定义输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流5发电机,将机械能转换为电能由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到,直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。图2-3 直流无刷电机按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机。直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同,直流电机可分为下列几种类型:他励直流电机、并励直流电机、复励直流电机、串励直流电机。可回旋 360串励直流电机的转盘机构有直流无刷电机带动,系统选用的是北京和时利公司生产的 57BL1010H1 无刷直流电机,其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的 BL-0408 驱动器,其采用 2448V 直流供电,有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护,且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。2.3.3步进电机驱动器的选择步进电机驱动器选择 3ND583型,其采用精密电流控制技术设计的高细分三相步进驱动器,适合驱动 5786 机座号的各种品牌的三相步进电机。3ND583 驱动器与配套电机的发热量降幅达15%30%以上。而且 3ND583 驱动器与配套三相步进电机能提高位置控制精度,因此特别适合于要求低噪声、低电机发热与高平稳性的高要求场合。由于采用了先进的纯正弦电流控制技术,电机噪音和运行平稳性明显改善。能大幅度降低电机运转时的噪音和振动,使得步进电机运转时的噪声和平稳性趋近于伺服电机的水平。高速时力矩也大大高于二相混合式步进电机,定位精度高。适合各种中小型自动化设备和仪器。例如:雕刻机、打标机、切割机、激光照排、绘图仪、数控机床、自动装配设备等。6图2-4 步进电机驱动器3ND583图2-5 步进电机驱动器M415B步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等. 驱动器参数如下列图表所示:表2-1 电气规格说明 最小值 典型值 最大值 单位供电电压 18 24 40 V均值输出电流 0.21 1 1.50 A逻辑输入电流 6 15 30 mA步进脉冲响应频率 100 kHz脉冲低电平时间 5 1 s表2-2 电流设定电流值 SW1 SW2 SW30.21A OFF ON ON0.42A ON OFF ON0.63A OFF OFF ON70.84A ON ON OFF1.05A 0FF ON OFF1.26A ON OFF OFF1.50A OFF OFF OFF表2-3 细分设定细分倍数 步数/圈(1.8 整步) SW4 SW5 SW61 200 ON ON ON2 400 OFF ON ON4 800 ON OFF ON8 1600 OFF OFF ON16 3200 ON ON OFF32 6400 OFF ON OFF64 12800 OFF ON OFF由外部确定 动态改细分/禁止工作 OFF OFF OFF表2-4 接线信号描述信 号 功 能PUL 脉冲信号:上升沿有效,每当脉冲由低变高时电机走一步DIR 方向信号:用于改变电机转向,TTL 平驱动OPTO 光耦驱动电源ENA 使能信号:禁止或允许驱动器工作,低电平禁止GND 直流电源地+V 直流电源正极,典型值+24VA+ 电机 A相A- 电机 A相B+ 电机 B相B- 电机 B相表2-5 电气指标3ND583说明最小值 典型值 最大值 单位输出电流 2.1 8.3 (均值5.9 )A输入电源电压 18 36 50 VDC控制信号输入电流 7 16 mA步进脉冲频率 0 400 KHz脉冲低电平时间 1.2 s绝缘电阻 500 M驱动器电源由面板上电源模块提供,注意正负极性,驱动器信号端采用+24V 供电,需加 1.5K限流电阻(见图中 1.5K电阻) 。驱动器输入端为低电平有效,在使用不同厂家的 PLC产品配套此模型使用时,要选择相应的输出方式,或者加入合适的电平转换板进行电平转换。8图2-6 PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理图2.3.4直流电机驱动单元本装置中直流电机驱动模块是有两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的。2.4传感器的选择传感器指能感知某一非电量的信息,并能将之转化为可加以利用的信息的装置。或者说是将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量信号输出的器件或装置。传感器有时也叫做变换器、换能器或探测器。传感器一般是利用物理、化学、生物等的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制的。通常由敏感元件、传感元件(转换元件) 、测量电路(信号调节与转换电路)和辅助电源几部分组成。2.4.1接近开关的选择接近开关有三根连接线(棕、兰、黑)棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号,当与档块接近时输出电平为低电平,否则为高电平。与 PLC 之间的接线图如下,当传感器动作时,输出端对地接通。PLC 内部光耦与传感器电源构成回路, PLC 信号输入有效。图2-7 接近开关LE4-1K9图2-8 接近开关与PLC之间的接线图2.4.2行程开关的选择行程开关是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路,达到一定的控制目的。通常,这类开关被用来限制机械运动的位置或行程,使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中,位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造:由操作头、触点系统和外壳组成。在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,实现电路的切换。因此,行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械,用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中,还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位,轿厢的上、下限位保护。行程开关可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等,简称静物)上或者运动的物体(如行车、门等,简称动物)上。当动物接近静物时,开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。图2-9 滚轮式行程开关行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。本设计采用滚轮式行程开关。当运动机械的挡铁(撞块)压到行程开关的滚轮上时,传动杠连同转轴一同转动,使凸轮推动撞块,当撞块碰压到一定位置时,推动微动开关快速动作。当滚轮上的挡铁移开后,复位弹簧就使行程开关复位。这种是单轮自动恢复式行程开关。而双轮旋转式行程开关不能自动复原,它是依靠运动机械反向移动时,挡铁碰撞另一滚轮将其复原。其结构原理如图所示,当被控机械上的撞块撞击带有滚轮的撞杆时,撞杆转向右边,带动凸轮转动,顶下推杆,使微动开关中的触点迅速动作。当运动机械返回时,在复位弹簧的作用下,各部分动作部件复位。10图2-10 滚轮式行程开关原理图2.5旋转编码器的选择旋转编码器是用来测量转速的装置,光电式旋转编码器通过光电转换,可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出(REP)。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数(几十个到几千个都有)和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲,而双路输出的旋转编码器输出两组 A/B相位差 90度的脉冲,通过这两组脉冲不仅可以测量转速,还可以判断旋转的方向。编码器如以信号原理来分可分为增量脉冲编码器(SPC)和绝对脉冲编码器(AP)。两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出,一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“”还是“”;非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件,采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“”还是“”。在可回旋360的转盘机构上旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时,经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线,并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后,输出脉冲或代码信号。其特点是体积小,重量轻,品种多,功能全,频响高,分辨能力高,力矩小,耗能低,性能稳定,可靠使用寿命长等特点。其工作原理是由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成 A、B、C、D,每个正弦波相差 90度相位差(相对于一个周波为 360度),将 C、D 信号反向,叠加在 A、B 两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个 Z相脉冲以代表零位参考位。由于 A、B 两相相差 90度,可通过比较 A相在前还是 B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料,玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高,金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级,塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。分辨率编码器以每旋转 360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度 510000线。11图2-11 旋转编码器2.6电磁阀的选择电磁阀是用电磁控制的工业设备,用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制,而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种,不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用,最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。2.6.1电磁阀的工作原理电磁阀里有密闭的腔,在不同位置开有通孔,每个孔都通向不同电磁阀的油管,腔中间是阀,两面是两块电磁铁,哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边,通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔,而进油孔是常开的,液压油就会进入不同的排油管,然后通过油的压力来推动油缸的活塞,活塞又带动活塞杆,活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。2.6.2电磁阀的分类直动式电磁阀:原理:通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开;断电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。特点:在真空、负压、零压时能正常工作,但通径一般不超过 25mm。 分步直动式电磁阀:原理:它是一种直动和先导式相结合的原理,当入口与出口没有压差时,通电后,电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起,阀门打开。当入口与出口达到启动压差时,通电后,电磁力先导小阀,主阀下腔压力上升,上腔压力下降,从而利用压差把主阀向上推开;断电时,先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件,向下移动,使阀门关闭。特点:在零压差或真空、高压时亦能可*动作,但功率较大,要求必须水平安装。先导式电磁阀:原理:通电时,电磁力把先导孔打开,上腔室压力迅速下降,在关电磁阀闭件周围形成上低下高的压差,流体压力推动关闭件向上移动,阀门打开;断电时,弹簧力把先导孔关闭,入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差,流体压力推动关闭件向下移动,关闭阀门。特点:流体压力范围上限较高,可任意安装(需定制)但必须满足流体压差条件。 电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别,分为六个分支小类:直动膜片结构、分步直动膜片结构、先导膜片结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。本设计采用型号为 4V110-06的先导式气动电磁阀,来带动机械手气夹的抓放动作。电磁阀4V110-06 体积小,流量大,外观美,性能可靠,使用寿命长,可集成安装,密封件磨损能自动补偿等特点。其内部采用滑柱式阀杆,结构简单,换向性能好。此型号是先导式两位五通电磁阀,由微电信号控制。12图2-12 先导式两位五通电磁阀图2-13 电磁阀4V110-062.7 PLC的选择本装置需采用晶体管输出型可编程控制器,可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器,控制步进电机运行。对于 PLC 的选择,我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数;扫描速度;内存容量;指令条数;功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。2.7.1 PLC的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按 CPU字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O 点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统。按控制规模分:控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出,或两者兼而有之(闭路系统)的路数。但主要以开关量计。模拟量的路数可折算成开关量的点,大致一路相当于 816 点。依这个点数,PLC 大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。微型机控制点仅几十点,为 OMRON 公司的 CPM1A 系列 PLC,西门子的 Logo 仅 10 点。小型机控制点可达 100 多点。如 OMRON 公司的 C60P 可达 148 点,CQM1 达 256 点。德国西门子公司的 S7-200 机可达 64 点。中型机控制点数可达近 500 点,以至于千点。如 OMRON 公司 C200H 机普通配置最多可达 700 多点,C200Ha 机则可达 1000 多点。德国西门子公司的 S7300 机最多可达 512 点。大型机:控制点数一般在 1000 点以上。如 OMRON 公司的C1000H、CV1000,当地配置可达 1024 点。C2000H、CV2000 当地配置可达 2048 点。超大型机:控制点数可达万点,以至于几万点。如美国 GE 公司的 9070 机,其点数可达 24000 点,另外还可有 8000 路的模拟量。再如美国莫迪康公司的 PCE984 -785 机,其开关量具总数为32k(32768) ,模拟量有 2048 路。西门子的 SS115UCPU945,其开关量总点数可达 8k,另外还可有 512 路模拟量 8。等等。以上这种划分是不严格的,只是大致的,目的是便于系统的配置及使用。一般讲,根据实际的 I/O 点数,凡落在上述不同范围者,选用相应的机型,性能价格比必然要高;相反,肯定要差些。自然,也有特殊情况。如控制点数不是非常之多,不是非用大型机不可,但因大型机的特殊控制单元多,可进行热备配置,因而采用了大型机。按结构划分 PLC 可分为箱体式及模块式两大类。微型机、小型机多为箱体式的,但从发展趋势看,小型机也逐渐发展成模块式的了。如 OMRON 公司,原来小型机都是箱体式,现在的CQM1 则 为模块式的。箱体的 PLC 把电源、CPU、内存、 I/O 系统都集成在一个小箱体内。一个主机箱体就 是一台完整的 PLC,就可用以实现控制。控制点数不符需要,可再接扩展箱体,由主箱体及若干扩展箱体组成较大的系统,以实现对较多点数的控制。13模块式的 PLC 是按功能分成若干模块,如 CPU 模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。大型机的模块功能更单一一些,因而模块的种类也相对多些。这也可说是趋势。目前一些中型机,其模块的功能也趋于单一,种类也在增乡。如同样 OMRON 公司 C20 系列 PLC,H 机的 CPU 单元就含有电源,而 Ha 机则把电源分出,有单独的电源模块 9。模块功能更单一、品种更多,可便于系统配置,使 PLC 更能物尽其用,达到更高的使用效益。由模块联结成系统有三种方法:无底板,靠模块间接口直接相联,然后再固定到相应导轨上。OMRON 公司的 CQM1 机就是这种结构,比较紧凑。有底板,所有模块都固定在底板上。OMRON 公司的 C200Ha 机, CV2000 等中、大型机就是这种结构。它比较牢固,但底板的槽数是固定的,如 3、5、8、10 槽等等。槽数与实际的模块数不一定相等,配置时难免有空槽。这既浪费,又多占空间,还得占空单元把多余的槽作填补。用机架代替底板,所有模块都固定在机架上。这种结构比底板式的复杂,但更牢靠。一些特大型的 PLC 用的多为这种结构。按硬件结构分类:整体式结构,模块式结构。按应用规模分类: 超小型 PLC,小型 PLC,中型 PLC,大型 PLC, 超大型 PLC。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。图2-14 S7-200 CPU外型图CPU 负责执行程序和存储数据,以便对工业自动控制任务或过程进行控制。输入和输出是系统的控制点:输入部分从现场设备(例如传感器或开关)中采集信号,输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。电源向 CPU 及其所连接的任何模块提供电力。通讯端口允许将 S7-200CPU 同编程器或一些设备连接起来。状态信号灯显示了 CPU 的工作模式(运行或停止) ,本机的 I/O 的当前状态,以及检查出来的系统错误。通过扩展模块可以增加 CPU 的 I/O 点数(CPU221 不可以扩展) 。通过扩展模块可以提供其通讯功能。一些 CPU 具有内置实时时钟,其他 CPU 需要实时时钟卡。EEPROM 卡可以存储 CPU 程序,也可以将一个 CPU 中的程序传送到另一个 CPU 中。通过可选的插入式电池盒可延长 RAM 中的数据存储时间 10。2.7.2电源的选择PLC 的供电电源,除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源,与国内电网电压一致。重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。2.7.3经济性的考虑选择 PLC 时,应考虑性能价格比。考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、14投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加,估因此,点数的增加对 CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响,在算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比。综合上述原则机械手控制系统主机为西门子的 S7-200。SIMATIC S7-200 系列 PLC 是德国西门子(Siemens)公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱,活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中,其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案 11。S7-200 作为西门子SIMATIC PLC 家族中的最小成员,以其超小体积,灵活的配置,强大的内置功能,多年来一直广泛服务于国内的各行各业。由于它具有结构小巧,运行速度快,价格低廉及多功能多用途等特点,因此在工业企业中得到了广泛的应用。2.7.4 S7-200的型号选取CPU 221 本机集成 6 输入/4 输出共 10 个数字量 I/O 点。无 I/O 扩展能力。6K 字节程序和数据存储空间。4 个独立的 30kHz 高速计数器,2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出。1 个 RS485 通讯/编程口,具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 222 本机集成 8 输入/6 输出共 14 个数字量 I/O 点。可连接 2 个扩展模块。6K 字节程序和数据存储空间。4 个独立的 30kHz 高速计数器,2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出。1 个 RS485通讯/ 编程口,具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 224 本机集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块,最大扩展至168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。 6 个独立的 30kHz 高速计数器,2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出,具有 PID 控制器。1 个 RS485 通讯/编程口,具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 CPU 224XP 本机集成 14 输入 /10 输出共 24 个数字量 I/O 点,2 输入/1 输出共 3 个模拟量 I/O点,可连接 7 个扩展模块,最大扩展值至 168 路数字量 I/O 点或 38 路模拟量 I/O 点。20K 字节程序和数据存储空间,6 个独立的高速计数器(100KHz) , 2 个 100KHz 的高速脉冲输出,2 个RS485 通讯 /编程口,具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能,如内置模拟量 I/O,位控特性,自整定 PID 功能,线性斜坡脉冲指令,诊断 LED,数据记录及配方功能等。是具有模拟量 I/O 和强大控制能力的新型 CPU。 CPU 226 本机集成 24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块,最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。 6 个独立的 30kHz高速计数器,2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出,具有 PID 控制器。2 个 RS485 通讯/编程口,具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统 12。本设计机械手控制为纯开关控制,需要 9 个输入、9 个输出点,根据需要,选择 CPU224 型号。图2-15 PLC S7-200 CPU224表2-6 输入地址分配表153.仿真3.1仿真软件本次设计仿真采用的是上海宇龙机电控制仿真软件。宇龙机电控制仿真软件是应用于机电控制及相关专业实验室实训的教学仿真软件,软件是由一个开放式的元器件库、控制对象和可视化的机电控制仿真平台构成。其中元器件库中含有电路、液压、气压中常用到的部件,控制对象里含有传送带、机械手、售货机等。 宇龙机电控制仿真软件可以在全软的环境中,通过系统自带的各种功能部件,自由搭建用户所需要的电、液、气的自动控制系统。其登陆界面如下图:图3-1 宇龙机电控制仿真进入程序后,默认进入的是“宇龙机电控制仿真软件”的“机电控制系统”功能界面,如图类型 端子功能 西门子气夹正转限位 I0.0气夹反转限位 I0.1基座正转限位 I0.2基座反转限位 I0.3基座旋转脉冲 I0.4X轴前限位 I0.5X轴后限位 I0.6Y轴上限位 I0.7输入Y轴下限位 I1.0驱动器一 PUL Q0.0驱动器二 PUL Q0.1驱动器一 DIR Q0.2驱动器二 DIR Q0.3气夹正转 ML Q0.4气夹反转 MR Q0.5基座正转 ML Q0.6基座反转 MR Q0.7输出气夹电磁阀 YV+ Q1.016示:图3-2 宇龙机电控制仿真功能界面该界面分为五部分,分别为标题栏、菜单栏、工具栏、元器件库和机电控制仿真平台。3.2 PLC编程宇龙机电控制仿真软件自带给予 PLC 编程的部分。图3-3 PLC程序编辑界面173.3工位机械手图3-4 机械手的仿真实物图机械手上限开关:当机械手上升,碰到它时,上限开关会有动作,那么开关的状态常闭变常开,常开变常闭。由于现在机械手是停在上面的,因此它的初始状态是上面为常开触点,下面为常闭触点。机械手下限开关:当机械手下降,碰到它时,下限开关会有动作,那么开关的状态常闭变常开,常开变常闭。它的初始状态是上面为常闭触点,下面为常开触点。机械手左限开关:当机械手左行,碰到它时,左限开关会有动作,那么开关的状态常闭变常开,常开变常闭。由于现在机械手是停在左面的,因此它的初始状态是上面为常开触点,下面为常闭触点。机械手右限开关:当机械手右行,碰到它时,右限开关会有动作,那么开关的状态常闭变常开,常开变常闭。它的初始状态是上面为常闭触点,下面为常开触点。机械手加紧检测开关:用来判断机械手是否将物体加紧。放松的的初始状态是上面常闭,下面常开。加紧时的状态是上面常开,下面常闭。光电检测开关:当有物体穿过开关,并遮住了光束,那么开关的状态常闭变常开,常开变常闭。它的初始状态是上面为常闭触点,下面为常开触点。取物按钮:点击按钮,可将右工位的物件拿走。用PLC来控制机械手的模拟控制系统,机械手的任务是将工件由左工作台搬运到右工作台,示意图如下图。图3-5 机械手的仿真示意图18当机械手处于原点(左上方位置)时,按下启动按钮后,机械手下移至左工作台,夹紧工件后,向上回到原点;然后右移、右移到位后向下至右工作台,放下工件,再向上、向左回到原点,完成一次动作周期。机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种,自动操作方式又分为:单步、单周期和连续操作方式。手动操作:操作按钮对机械手的每一种移位运动单独进行控制。例如,当选择上/下运动方式后,按下启动按钮,机械手上升;按下停止按钮,机械手下降。单选择左/右运动方式后,按下启动按钮,机械手左移;按下停止按钮,机械手右移。当选择夹紧/放松运动方式后,按下启动按钮,机械手夹紧;按下停止按钮,机械手放松。单步操作:每按下一次启动按钮,机械手完成一步动作(增量位移)后自动停止。单周期操作:机械手从原点开始,按一下启动按钮,机械手自动完成一个周期的动作后停止。即搬运一次。在工作中若按一下停止按钮,则机械手动作停止。重新启动时,须用手动操作将机械手移回到原点,然后按一下启动按钮,机械手重新开始单周期操作。连续操作:机械手从原点开始,按一下启动按钮,机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。即连续自动搬运。在工作中若按一下停止按钮,则机械手动作停止。重新启动时,须用手动操作将机械手移回到原点,然后按一下启动按钮,机械手重新开始连续操作。在工作中若按一下复位按钮,机械手将持续完成一个周期的动作后,回到原点自动停止。19致 谢走出毕业论文的千头万绪,接下来便是自然而然的蓦然回首。于是,几多往事历历在目,一丝伤感轻轻划过,无限感动激荡心头。诚然,更多的感激注定只能驻扎在心底,但还是禁不住尝试有些呆板的文字表述。在本文即将结束之际,请允许我对在这四年的大学生活学习中给予我支持和鼓励的各位老师和同学致以深深的感谢。首先,我要感谢我的指导老师刘媛媛,感谢她在我的研究和学习过程中给予我的指导和帮助。刘老师深厚的理论素养,渊博的学识和诲人不倦的精神使我受益非浅,更重要的是,刘老师严谨的治学风范和对学术问题的概括与抽象能力在潜移默化中影响着我,教育着我。在大学生活中,刘老师对我的言传身教以及给予我许多无私的关心和帮助,所有这些不仅是我得以顺利地完成本文,而且更是使我终身受益。我还要感谢院里的各位老师,他们为我的毕业设计提出诸多良好的建议以及努力方向,使我得以较快地完成设计。其次,我还要特别感谢我的母校,为我提供了一个先进的学习、工作环境,能让我顺利完成大学里的各个课程。最后,请让我将这篇毕业论文献给我的父母亲,感谢他们的养育之恩,感谢他们使我成为一个对社会有用的人,他们的关怀、支持和鼓励是我所有信念的力量源泉。有人说,时间如流水,一刻不停地冲刷着记忆,但是,有些记忆随着时间的冲刷不会消逝,反而会变
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