PLC控制的机械手设计 毕业论文.doc

西安工业大学继续教育学院 毕业论文 标题：plc 控制的机械手设计 系部：机电工程系 专业：机电一体化 班级：11 级机电一班 姓名： 联系电话： 指导老师： 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 1 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 .4 1.3 系统的整体设计分析 5 第二章 硬件设计 6 2.1 机械结构和控制要求 6 2.2 输入/输出点地址分配 6 2.3 主电路图 .8 第三章 系统软件设计 9 3.1 机械手的运行流程 9 3.2 机械手运行梯形图 10 3.3 机械手运行指令表 15 第四章 系统调试 19 4.1 使用设备 19 4.2.调试过程 19 设计总结 20 致谢21 参考文献 22 2 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/cam 和工业机器 人一起成为现代工业控制的三大支柱。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。 ，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%。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 3 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、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： s7-200 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，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。 4 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. 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。 5 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，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 6 2.plc 外围接线图如图 2-1: 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。 7 2.3 主电路图 图 2-2 三相异步电动机正反转电路 8 第三章 系统软件设计 3.1 机械手的运行流程 工作 流程图书 3-1 3.2 机械手运 行梯形图 原始位置 下降 加紧 上升 右行 下降 放松 上升 左行 9 10 11 12 3.3 机械手运行指令表 title=程序注释 network 1 单周期循环控制 ld i1.1 o m0.0 an i0.5 = m0.0 network 2 置位初始状态 s0.0 ld sm0.1 13 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 network 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 14 机械手右行 ldn i0.3 = q0.3 network 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 network 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 15 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 16 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。 17 致谢 在这次设计过程中，我得到指导老师的精心指导和各方面的帮助，才使设计得以顺利完 成，首先，我要郑重地感谢杨老师。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