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基于PLC的工业机械手控制系统设计【毕业论文设计】 38011.doc

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毕业论文设计 控制系统设计【毕业论文设计】 38011doc 基于PLC的工业机械手控制系统设计【毕业论文设计】 38011.doc plc控制系统设计
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九江学院学士学位论文 JIU JIANG UNIVERSITY 毕 业 论 文 题 目 基于PLC的工业机械手控制系统设计 英文题目 Based on plc industrial manipulator control system design 院 系 专 业 姓 名 年 级 指导教师 二零一三年五月 43 摘 要 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科,并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、搬运、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中,机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之,机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。 本设计描述了基于PLC的机械手控制系统设计,重点介绍了机械手控制系统中的硬件选择方法,软件的设计过程,以及PLC控制装置的工作过程。 本设计实现了机械手在搬运装配线上,通过S7-200PLC控制机械手完成从A传送带搬运物件至B传送带中,然后进入下一个工作流程。机械手的上升/下降和左转/右转的执行,分别由双线圈二位电磁阀控制气缸的运动实现;夹紧/放松则是由单线圈的二位电磁阀控制气缸的运动来实现。 【关键词】机械手;PLC;电磁阀 Based on plc industrial manipulator control system design Abstract In the field of industrial automation manipulator is often met in a control object. In recent years, with the development of industrial automation manipulator gradually become a new subject, and with the rapid development. Manipulator widely application and forging, stamping, forging, welding, assembling, handling, spray paint, heat treatment, etc. Especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, dust and so on bad work environment, manipulator because of its significant advantages by pay special attention to. In a word, the manipulator is to improve the labor productivity, improve working conditions, reduce labor intensity and realize industrial production automation is an important means. This design based on PLC describes the manipulator control system design, introduced the manipulator control system, the hardware selection method, the software design process, and the working process of the PLC control device. The design and implementation of the manipulator in the handling assembly line, manipulator controlled by the S7-200PLC complete conveyor belt carrying objects from A to B conveyor, and then go to the next workflow. The implementation of the up / down and left / right of the manipulator, respectively, to achieve control movement of the cylinder by a double coil solenoid valve; clamp / unclamp cylinder is controlled by a single coil solenoid valve movement. 【Key Words】Manipulator;PLC;solenoid valve 目 录 摘 要 1 目 录 4 第1章 绪 论 1 1.1 课题的目的和意义 1 1.2 课题研究的内容 1 第2章 机械手和PLC 2 2.1 机械手 2 2.1.1 机械手的概述 2 2.1.2 机械手的应用 2 2.1.3 机械手的应用意义 3 2.1.4 机械手的发展概况 4 2.1.5 机械手的发展趋势 4 2.2 PLC 5 2.2.1 PLC的基本概念 5 2.2.2 PLC的组成 6 2.2.3 PLC的主要特点 7 2.2.4 PLC的工作原理 8 2.2.5 PLC的应用领域 10 第3章 机械手控制系统的设计 12 3.1 机械手控制系统构件概述 12 3.2 系统控制对象及工艺过程 14 3.3 控制要求 16 3.4 方案选择及系统配置 16 3.5 PLC的硬件设计 17 3.5.1 PLC的选型 17 3.5.2 I/O的资源配置 18 3.5.3 PLC的接线图 20 3.5.4 操作面板 21 3.6 系统软件设计 21 3.6.1 顺序功能图 22 3.6.2 全程序OB1 23 3.6.3 公用程序 25 3.6.4 手动程序 26 3.6.5 自动程序 26 3.6.6 回原点程序 32 第4章 系统程序调试 35 4.1 控制系统的程序调试步骤 35 4-2 调试过程中注意的事项 35 4-3 系统中调试结果 36 第五章 结束语 40 参考文献 41 致谢 412 第1章 绪 论 1.1 课题的目的和意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科,并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中,机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之,机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。 可编程序控制器(programmable logic controller,PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展,PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步,已经成为工厂自动化的标准配置之一。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等,而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性,如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学,因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多,如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低,因此用PLC来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识,了解世界先进水平,尽可能多的应用于实践。 1.2 课题研究的内容 本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计,包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编写PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。 第2章 机械手和PLC 2.1 机械手 2.1.1 机械手的概述 它能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 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2~3个自由度。 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。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。 2.1.2 机械手的应用 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。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办法,程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效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在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%。从这里可看出,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产生的。机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业、铁路部门中机械手主要应用于以下几方面: 1.热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率,和确保工人的人身安全,尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用,成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一,促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门,已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等,减轻了劳动强度,提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手,可用以对客车内部进行连续喷漆,以改善劳动条件,提高喷漆的质量和效率。 近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用,工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 2.1.3 机械手的应用意义 在机械工业中,机械手的应用意义可以概括如下: 1.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。 2.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。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。 3.可以减少人力,便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。 综上所述,有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。 2.1.4 机械手的发展概况 专用机械手经过几十年的发展,如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展,进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容,不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识,而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等,因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视,几十年来,这项技术的研究和发展一直比较活跃,设计在不断地修改,品种在不断地增加,应用领域也在不断地扩大。 早在40年代,随着原子能工业的发展,已出现了模拟关节式的第一代机械手。 50~60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。 60~70年代,又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上,亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-90年代,装配机械手处于鼎盛时期,尤其是日本。 90年代机械手在特殊用途上有较大的发展,除了在工业上广泛应用外,农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 90年代以后,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机械手技术也得到飞速的多元化发展。 总之,目前机械手的主要经历分为三代: 第一代机械手主要是靠人工进行控制,控制方式为开环式,没有识别能力;改进的方向主要是将低成本和提高精度;第二代机械手设有电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把接收到的信息反馈,使机械手具有感觉机能;第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。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系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 2.1.5 机械手的发展趋势 目前国内工业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。因此,国内主要是逐步扩大机械手应用范围,重点发展铸锻、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,相应地发展通用机械手,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式机械手等。 将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及适于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不用的典型部件,即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。同时要提高精度,减少冲击,定位精确,以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能地机械手,并考虑于计算机联用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业中,它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作,但是还不具备任何传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此,国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手,使其拥有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时,即能更正,并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器)以及卫星计算机。工作时,电视照相机将物体形象变成视频信号,然后传送给计算机,以便分析物体的种类、大小、颜色和方位,并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件,通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制,达到自动调整握力的大小。总之,随着传感技术的发展,机械手的装配作业的能力将进一步提高。 现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及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。 2.2 PLC 2.2.1 PLC的基本概念 现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规模、低成本和高质量的产品,为了满足这一要求,生产设备和自动化产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性, PLC正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。 PLC的应用面广、功能强大、使用方便,已经广泛第应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中,PLC在其他领域,例如明勇和家庭自动化的应用也得到迅速的发展。PLC依然处于不断的发展之中,器功能不断增强,更加开放,它不但是单片自动化中应用最广的控制设备,在大兴工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位,PLC应用面之广、普及程度之高,是其他计算机控制设备无法比拟的。 国际电工委员会(IEC)在1985年的PLC标准草案第3稿中,对PLC作了如下定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备,都应按易于使工业系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出,PLC是一种用程序来改变控制功能的工业计算机,除了能完成各种的控制功能外,还有与其他计算机通讯联网的功能。 2.2.2 PLC的组成 PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成(见图1-1)。PLC的特殊功能模块用来完成特殊的任务。 图2-1 PLC的组成 1.CPU模块 CPU模块主要有微处理器)CPU芯片和存储器组成。在PLC控制系统中,CPU模块相当认得大脑和心脏,它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出;存储器用来存储程序和数据。S7-200将CPU模块简称为CPU。 2. I/O模块 输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I/O模块,它们相当于人们的眼、耳、手、脚,是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号,开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨号开关、压力继电器等来的开关量输入信号;模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备;模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 CPU模块的工作电压一般是5V,而PLC外部的输入、输出电路的电源电压较高,例如DC 24V和AC 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU 模块中的元器件,或使PLC不能正常共作。在I/O模块中,用光耦合器,光敏晶闸管、小型继电器等期间来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外,还有电平转换与隔离的作用。 3. 编程器 编程器用来生成用户程序,并用它来编程、检查、修改用户程序,事件用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图,只能输入和编程指令表程序,因此又叫做指令编程器。;它的体积小,价格便宜,一般用来给小型PLC编程,或者用于现场调试和维护。 使用编程软件可以再计算机屏幕上生成和编辑梯形图或指令表程序,并且可以实现不同程序语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC,也可以讲PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印,通过网络或电话线,还可以实现远程编程和传达。 4.电源 PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24V电源,驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。 2.2.3 PLC的主要特点 一、抗干扰能力强,可靠性高 PLC专门为工业环境而设计,具有很高的可靠性。它的主要模块均采用大规模与超大规模集成电路,I/O系统设计有完善的通道保护与信息调理电路;在机构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑;在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等干扰和故障诊断措施。所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力,因此稳定、可靠,抗干扰能力强。与继电器接触装置和通用计算机相比,PLC更能试用工业现场较为恶劣的生产环境。 二、控制系统机构简单,通用性强 PLC及外围模块品种多,可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中,只需要在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可,不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量且繁杂的硬接线线路。当控制要求改变,需要变更控制系统的功能时,可以用编程器在线或离线修改程序,同一个PLC装置用于不同的控制对象,只是输入/输出组件和应用软件的不同。PLC的输入/输出可以直接与交流220V、直流24V等强电相连,并有较强的带负载能力。 三、编程简单,易于使用 PLC是面向用户的设备,PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯,因此PLC程序的编制采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似,这种编程语言形象直观,容易掌握,不需要专门的计算机知识和语言,只要具有一定的电工和工艺知识就可在短时间内学会。 四、功能完善 现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能,还能完成A/D转换、D/A转换、模拟量处理、高速计算、联网通信等功能,可以通过上位计算进行显示、报警、记录,进行人机对话,使控制水平大为提高。因此,PLC具有极强的适用性,能够很好地满足各类型控制的需要,是目前工厂中应用最广的自动化设备。 五、体积小、维护操作方便 PLC体积小,质量轻,便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态,还能通过各种方式直观地控制系统的运行状态,如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常和电源状态等,对此均有醒目的指示,非常有利于运行和维护人员对系统进行监控。 2.2.4 PLC的工作原理 PLC通电后,需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使PLC得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的任务(见图2-1),这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 1)读取输入 在PLC的存储器中,设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态,它们分别称为输入过程映像寄存器和输出映像过程寄存器。 在读取输入阶段,PLC把所有外部数字量输入电路的1/0状态读入输入过程影响寄存器。外接的电路闭合时,对应的输入过程映像寄存器为1状态,梯形图中对应的 输入点的常开触点接通,常闭触点断开。外接的输入电路断开时,对应的输入过程映像寄存器为0状态,梯形图中对应的输入点的常开触点断开,常闭触点接通。 2)执行用户程序 PLC的用户程序由若干条指令组成,指令在存储器中顺序排列。在RUN模式的程序执行阶段,如果没有跳转指令,CPU从第一条指令开始,逐条顺序地执行用户程序。 在执行指令时,从I/O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器独处其I/O状态,并根据指令的要求执行相应的逻辑运算,运算的结果写入到相应的映像寄存器中,因此,各映像寄存器的内容随着程序的执行而变化。 在程序执行阶段,即使外部输入信号的状态发生了变化,输入过程映像寄存器的状态,也不会随之改变,输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时,对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器,而不是实际的I/O点。这样做有以下好处: 在整个程序执行阶段,各输入点的状态点是固定不变的,程序执行完后再用输出过程映像寄存器的值更新输出点,使系统的运行稳定。 用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点得多,这样可以提高程序的执行速度。 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,咋适当的时候将信息传送给通信请求方。 4)CPU自诊断测试 自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和拓展模块的状态是否正常,将监控定时器复位,以及完成一些别的内部工作。 5)改写输出 CPU执行完用户程序后,将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一位的线圈“通电”时,对应的输出过程映像寄存器为1状态,信号经输出模块隔离和功率放大后,继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电,其常开触点闭合,使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”,对应的硬件继电器的线圈断电,其常开触点断开,外部负载断电,停止工作。当CPU的操作模式从RUN变为STOP时,数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态,或保持当时的状态,默认的设置是将数字量输出清零。 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对某些事件的响应速度。 7)立即I/O处理 在程序执行过程在使用立即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指令来改写输出点时,相应的输出过程映像寄存器的值被更新 Stop RUN 图2-2 PLC典型的扫描方式 2.2.5 PLC的应用领域 目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。 (1)开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等 (2)模拟量控制 在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。 (3)运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 (5)数据处理 现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 第3章 机械手控制系统的设计 3.1 机械手控制系统构件概述 本课题机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹、传送带等机械部件组成;电气方面有PLC、传感器、开关电源、电磁阀、光电开关等电子器件组成,可实现机械手完成物料的移动等。可编程控制器采用是的西门子S7-200。 该装置从结构上分为机械手本体单位、PLC控制单元、接口单元、电源单元等。 1)机械手本体单元。机械手本体单元按功能可分为二轴平衡机构、底盘、旋转手臂机构、夹手、限位开关等部件。 2)PLC 控制单元。本装置需要18个输入点与8个输出点,采用西门子CPU226CN AC/DC 继电器型PLC  ,带多种电源和控制电压内置数字量输入/输出:24个输入和 16 个输出。 3)电源单元。电源单元是用于提供AC 220V电源 4)限位开关。在此系统中,共用了4个限位开关:上升限位开关、下降限位开关、左转限位开关和右转限位开关。限位开关主要是来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。 5)光电开关。光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。安防系统中常见的光电开关烟雾报警器,工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。 6)电磁阀。此系统中机械手手臂的上升/下降、左转/右转与夹手的松紧都是用气缸来实现的,使用一个气缸、一个电磁阀就能实现手臂的上升和下降,相对于利用电机的正反转来实现升降,气缸控制简单方便。 气动电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器;气动电磁阀并不限于液压,气动;气动电磁阀用于控制液压流动方向,工厂的机械装置一般都由液压钢或电磁阀来控制。 在气路(或液路)上来说,两位三通电磁阀(见图3-1)具有1个进气孔(接进气气源)、1个出气孔(提供给目标设备气源)、1个排气孔(一般安装一个消声器,如果不怕噪音的话也可以不装)。 两位五通电磁阀(见图3-2)具有1个进气孔(接进气气源)、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔(分别提供给目标设备的一正一反动作的气源)、1个正动作排气孔和1个反动作排气孔(安装消声器)。 对于小型自动控制设备,气管一般选用8~12mm的工业胶气管。在电气上来说,两位三通电磁阀一般为单电控(即单线圈),两位五通电磁阀一般为双电控(即双线圈)。线圈电压等级一般采用DC24V、AC220V等。 两位三通电磁阀分为常闭型和常开型两种,常闭型指线圈没通电时气路是断的,常开型指线圈没通电时气路是通的。 常闭型两位三通电磁阀动作原理:给线圈通电,气路接通,线圈一旦断电,气路就会断开,这相当于“点动”。 常开型两位三通单电控电磁阀动作原理:给线圈通电,气路断开,线圈一旦断电,气路就会接通,这也是“点动”。 两位五通双电控电磁阀动作原理:给正动作线圈通电,则正动作气路接通(正动作出气孔有气),即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的,将会一直维持到给反动作线圈通电为止。 给反动作线圈通电,则反动作气路接通(反动作出气孔有气),即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的,将会一直维持到给正动作线圈通电为止。 图3-1 二位三通电磁阀 图3-2 二位五通电磁阀 7)各种按钮。急停按钮采用带锁的,常闭触点,按下后旋转复位;档位具均使用旋钮控制,打到该处即将该工作方式接通;其余按钮均采用触点触发方式,按下即接通,松开即复位。 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,设计出图3-3 所示的机械手控制系统的功能框图。 电气控制柜 工业机械手 图3-3 机械手控制系统的功能框图 3.2 系统控制对象及工艺过程 如图3-4是通过传送带传送工件的机械手工作示意图。利用机械手在装配线上,通过PLC控制机械手的动作,完成取工件及转移工件等工序。 图3-4 机械手控制示意图 机械手用来完成右边传送带A上工件向左边传送带B的转移。按启动按钮后,传送带A运行直到光电开关PS检测到物体,才停止,同时机械手下降,下降到位后机械手夹紧物件,2S后开始上升,而机械手保持夹紧。上升到位左转(此处以机械手为主体,定左右)左转到位下降,下降到位机械手松开,2S后机械手上升。上升到位后,传送带B开始运行,同时机械手右转,右转到位后,传送带B停止,此时传送带A运行直到关电开关PS再次检测到物体,才停止……,如此循环。 机械手的上升、下降和左转、右转的执行,分别由双线圈二位电磁阀控制气缸的运动控制。当下降电磁阀通电,机械手下降,若下降电磁阀断电,机械手停止下降,保持现有的动作状态。当上升电磁阀通电时,机械手上升。同时左转/右转也是由对应电磁阀控制。夹紧/放松则是由单线圈的两位电磁阀控制气缸的运动来实现的,线圈通电时执行夹紧动作,断电时执行放松动作。并且要求只有机械手处于上限时才能进行左/右移动,因此在左右转动时用上限条件联锁保护。由于上下运动,左右转动采用双线圈两位电磁阀控制,两线圈不能同时通电,因此在上/下、左/右运动的电路中需要设置互锁环节。 为了保证机械手动作准确,机械手安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4,分别对机械手进行下降、上升、左转、右转等动作的限位,并给出动作到位的信号。光电开关PS负责检测传送带A上的工件是否到位,到位后机械手开始动作。 3.3 控制要求 1.实现将传送带A的工件顺利搬运到传送带B。 2.为了方便机械手的位置调整,设手动、自动两种控制方式,手动时可完成手臂上升和下降、左移和右移、手爪的抓紧和放松等功能。 3.机械手应设急停按钮 4. 为了保障手爪的抓持及放松可靠,防止手爪抓力过大或过小引起轴承的损坏或抓力不足,需要对抓持力进行监测控制。 3.4 方案选择及系统配置 根据以上控制要求,制定以下控制方案。 本系统的输入开关量为数字信号,直接连接PLC,PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。系统框图如图3-5所示 右转限位开关 停止按钮 启动按钮 物品检测开关 下降限位开关 夹放检测开关 上升限位开关 左转限位开关 P L C 上升电磁阀 夹放电磁阀 右转电磁阀 左转电磁阀 档位选择按钮 下降电磁阀 继电器 继电器 继电器 继电器 继电器 传送带启动信号 继电器 图3-5 系统框图 3.5 PLC的硬件设计 3.5.1 PLC的选型 目前,世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品,比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用(GE)、日本的三菱(MITSBISHI)、欧姆龙(OMRON)、德国的西门子(SIMENS)、法国的TE、韩国的三星(SUMSUNG)、LG等。 本文选择的是德国的西门子公司生产的S7–200PLC。S7–200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC,其许多功能达到大、中型PLC的水平,而价格却和小型PLC的一样,因此它一经推出,即受到了广泛的关注。特别是S7–200CPU22*系列PLC,由于它具有多种功能模块和人机界面(HMI)可供选择,所以系统的集成非常方便,并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件,使得在完成控制系统的设计时更加简单,其速度快,具有极强的通信能力,几乎可以完成任何功能的控制任务。 CPU22*系列PLC它有如下五种不同结构的配置单元: 1、CPU221,它具有6输入/4输出,I/O共计10点,无扩展能力; 2、CPU222,它具有8输入/6输出,I/O共计14点,并可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展; 3、CPU224,它具有14点输入/10点输出,I/O点数共计24点,它有七个扩展模块,有内置时钟; 4、CPU226,它具有24输入/16输出,I/O共计40点,与CPU224相比,它增加了通信口的数量,通信能力大大增强; 5、CPU226XM,这是西门子公司后推出的一种增强型主机,它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。 当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范,它主要受CPU的功能限制。 典型的数字量输入/输出扩展模块有: 输入扩展模块EM221有两种:8点DC输入、8点AC输入。 输出扩展模块EM222有三种:8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。 输入/输出混合扩展模块EM223有六种:分别为4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)DC输出、4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)继电器输出。 本次设计中共18个输入量,共8个输出量,共计26点,因此选用了采用西门子CPU226CN AC/DC 继电器型PLC,CPU226CN具有24点输入/16点输出,I/O点数共计40点,它可以有七个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力。 3.5.2 I/O的资源配置 根据控制系统的功能要求,对PLC进行I/O及其他资源的分配,具体分配如下图3-6及表3-7所示。 图3-6 PLC的I/O配置表 编号 意义 备注 M0.5 原点标志 on有效 M0.6 转换允许标志 on有效 M0.7 连续标志 on有效 M11.0 传送带启动与自动右转标志 on有效 M11.1 传送带A启动标志 on有效 M10.1 自动下降标志 on有效 M10.2 自动夹紧标志 on有效 M10.3 自动上升标志 on有效 M10.4 自动左转标志 on有效 M10.5 自动下降标志 on有效 M10.6 自动松开标志 on有效 M10.7 自动上升标志 on有效 M0.0 初始化标志 on有效 M1.0 回原点上升标志 on有效 M1.1 回原点左转标志 on有效 M1.2 回原点下降标志 on有效 M1.3 回原点松开标志 on有效 M1.4 回原点上升标志 on有效 M1.5 回原点右转/传送带B标志 on有效 M1.6 回原点原位指示标志 on有效 表3-7 机内元件表 3.5.3 PLC的接线图 图3-8 PLC的I/O接线图 3.5.4 操作面板 图3-9 操作面板 3.6 系统软件设计 3.6.1 顺序功能图 图3-10 自动程序顺序功能图 图3-11 回原点顺序功能图 3.6.2 全程序OB1 3.6.3 公用程序 3.6.4 手动程序 3.6.5 自动程序 3.6.6 回原点程序 第4章 系统程序调试 4.1 控制系统的程序调试步骤 (1)对于比较复杂的控制系统,需要绘制系统流程图,用以清楚的表明顺序和条件。 (2)设计梯形图,这是程序设计的关键一步,也是比较困难的一步,要设计好梯形图,首先十分熟悉控制要求,同时还要有一定的电气设计的经验。 (3)将程序输入到PLC的用户存储器,并查找程序是否正确。 (4)对程序进行调试和修改,直到满意为止。 4-2 调试过程中注意的事项 (1)数据线与计算机的接口必须要与软件的端口保持一致,否则运行会产生通信错误问题。 (2)连接PLC上的输出端口对应的动作必须与程序中的输入输出点的定义动作保持一致。 (3)PLC上的输入输出点都必须接入电源,连接的外部模块也必须接通电源与接地线 (4)由于条件有限,外部接线模块中部分用开关代替按钮,在执行点动程序注意执行完应该将开关拨回到停止状态。对于限位开关也用普通开关代替,当执行完该步程序后,进入下一个步,需要将限位开关拨回OFF状态。可参照图4-1所示,该图为机械手处于夹紧左转的一个状态。 图4-1 plc硬件的实物接线图 4-3 系统中调试结果 整个系统要求实现的功能有两项:自动运行与手动运行。 其中,手动功能基本是实现了,自动功能出现程序设计基本上没有什么问题,部分功能运行起来,有些功能在实现上还需做些优化改进,部分功能实现参见以下相关图。 图4-2 手动程序中下降运行 图4-3 自动程序中下降运行 图4-4 自动程序中的传送带A启动 第五章 结束语 机械手的控制对于很多场合需求很大,不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备,其基本动作要求类似,所以控制的实现也可以相互借鉴。 在本篇论文中,机械手控制系统采用PLC进行控制,大大提高了该系统的自动化程度,减少了大量中间继电器、时间继电器和硬件的接线,提高系统的可靠性。同时,使用PLC进行控制可以方便更改生产流程,增强控制功能。通过本次设计,可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。另外,在实际的生产中,可以设置远程控制,可以利用监控软件对控制系统进行实时控制,以提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态。也为维修、故障诊断提供多方面的可能性。 在此次毕业论文的设计过程中,对以前的理论知识有了更加进一步的理解与认识,对自己的对自己的专业知识及应用能力有了一定的提升与检测,其中也发现了很多不足。因为有了此次设计的经验与教训,我相信在今后工作中我能够给予更加严谨、科学的态度对待,相信以后的设计中我的设计会更加的完美。由于本人能力尚未达到火候,本次设计的机械手控制系统跟实际生产中的机械手控制系统之间还有很大差距,系统中也还存在很多的缺陷,还需要不断改进和加强。 参考文献 [1]郑凤翼,金沙.图解西门子S7-200系列.北京:电子工业出版社出版社,2009. [2]廖常初.S7-200PLC编程及应用. 北京: 机械工业出版社,2010. [3]高安邦.西门子S7-200/300/400系列PLC自学手册. 北京: 中国电力出版社,2010. [4]王永华等.现代电气控制及PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社, 2003 [5]SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.1999 [6]SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.2003 [7]钟肇新等.可编程控制器原理及应用.广州:华南理工大学出版社,2003 致谢 学校的读书生活在这个毕业的季节即将画上一个句号,学生生涯也算是告一段落了。这段人生旅途是富有青春活力的,这一幕幕将永远存在我的记忆中。大学,让我收获了喜怒哀乐、酸甜苦辣。虽说是一路崎岖辛苦,却也丰富多彩。我的求学生涯是在老师、同学、朋友的关怀与帮助下,才得以顺利走到此时此刻,今后的路我将时刻铭记老师的循循善诱的教导,去面对每一次的征程。 本论文是在石俊老师悉心指导下完成的。石老师渊博的专业知识,严谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法,更加教会了我许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成,每一步都是在石老师的指导下完成的,倾注了老师大量的心血。在此,谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢!同时,也要感谢在论文的创作过程当中,提供了意见及帮助的同学们,我才能克服遇到的每个困难和疑惑。祝福恩师们以及所有给我提供帮助的人身体健康、家庭幸福! 最后,我要感谢我的爸爸妈妈,谢谢你们给了我生命。你们用血与泪尽可能的给我提供成长的机会与支持,你们为我所付出的是我一生都无以回报的。感谢你们二老,愿你们身体健康、生活开心。
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