机械手控制系统设计

1、 PLC原理及应用结 课 考 核设计题目：机械手控制系统设计姓 名： 学 号： 班 级： 专 业：机械设计制造及其自动化学 院：机电工程学院完成日期：2014年6月30日备 注：任课教师：教师评分：结课考核设计的要求一、具体要求：1、在已经完成PLC原理及应用课程学习的基础上，广泛查阅、学习相关文献及网络资源，独立或两人一组自主设计基于S7-200 PLC的控制系统，并进行模拟调试，最后撰写提交设计报告。2、提交的设计报告必须包含以下内容：（1）控制系统的控制任务与功能要求（2）控制系统的硬件设计 = 1 * GB3 控制系统的输入输出信号描述，必须有输入输出信号列表； = 2 * GB3 P

2、LC选型与硬件配置； = 3 * GB3 I/O分配，必须有I/O分配表； = 4 * GB3 电气控制原理图，必须用CAD绘制（3）控制系统的软件设计 = 1 * GB3 程序总体结构设计 = 2 * GB3 编写符号表并设计程序流程图 = 3 * GB3 具体控制程序（4）控制系统模拟调试 = 1 * GB3 模拟调试的方案，如用指示灯代替实际执行元件等，且必须提供接线照片； = 2 * GB3 模拟调试的运行结果，要求必须有实验室运行结果照片（5）心得与建议3、时间安排：（1）2014.6.15-6.25(第17、18周)进行设计工作，期间新实验楼N118实验室全天开放；（2）2014.

3、6.26-6.27日任课教师对模拟调试结果进行现场考评；（3）2014.6.30日中午12：00前学生提交完整设计报告。控制系统的控制任务与功能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，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

4、，连续三种模式。即为： 原位 下降 夹紧 上升 右移 左移 上升 放松 下降二、控制系统的硬件设计2.1、PLC选型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：S7-200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，下图展示一台S7-200 Micro PLC的 CPU22*系列PLC的CPU外型图如图2.1，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。

5、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。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

6、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。 图3展示了一个基本的S7-200 Micro PLC.它包括一个S7-200 CPU 模块,一台个人计算机(PC),STEP 7-Micro/win32(3.1版)编程软件,以及一条通讯电缆.为了使用个人计算机(PC),你必须以下一种设备:一条PC/PPI 电缆；一个通讯处理器(PC)和多点接口(MPI)电缆；一块MPI卡,随MPI卡提供一根通讯电缆。PLC模块的选择：采用CPU224的主机和输出

7、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：输入扩展模块EM221: 共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。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。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。模拟量输入扩展模块EM231。模拟量输出扩展模块EM232。6. 模拟量输入/输出扩展模块EM235。2.2、I/O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

8、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 Q0.42.3、电气控制原理图 2.3.1、plc外部接线图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。

9、三、控制系统的软件设计1、程序总体结构设计2、程序流程图 工作流程3、具体控制程序（1）在机械手上、下、左、右行走的控制中，使用了一个软件联锁触电，替代了SM0.0。（2）M0.0是一个选择逻辑，其功能如上图中网络1所示，它相当于一个开光，控制着系统是进行单周期操作还是循环操作四、控制系统模拟调试4.1、控制系统模拟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

10、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

11、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了整个实验的调试五、心得与建议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

12、产品。以下是我对其在未来发展方向及展望：1、重复精度化 ：精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。2、 模块化：有的公司把带有系列导向

13、驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。3、无给油化：为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着

14、材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 4、机电气一体化：由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，可以预见，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空