机械手控制设计毕业论文.doc

武昌工学院毕业论文（设计）专用稿纸 本科毕业论文（设计）论文题目：姓名：学号：班级：01班年级：09级专业：电气工程及自动化系部：信息工程学院指导教师：完成时间：2013年5月15日作者声明本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。毕业论文（设计）成果归武汉工业学院工商学院所有。特此声明。作者专业：作者学号：作者签名：年 月 日 机械手控制设计中文姓名manipulator control design英文名字2015年5月15日武昌工学院毕业论文（设计）专用稿纸摘要随着机器人技术的不断发展，机器人在工业生产上的应用越来越广泛。本课题的研究就是运用机器人技术完成生产线上不同传送带间的物品搬运。本文根据机械手在搬运物品过程中的动作要求，采用可实现多方位转移的多维机械手。该机械手用电磁阀控制的液压系统来驱动，可实现上升、下降、左旋、右旋、抓紧和放松8个动作，可以较灵活的搬运物品。机械手的控制系统设计是本文的核心。通过对机械手控制要求及动作的分析，确定了plc的输入输出开关量信号，据此选用s7-200 cpu226 plc作为控制核心，给出了相应的plc i/o分配表和硬件接线图。在此基础上，根据机械手5种工作方式下的具体动作流程，给出了详细的plc程序设计过程，最后完成程序的调试与仿真。本文主要创新体现在通过对机械手控制系统的设计，使机械手能够在完成搬运任务的基础上，具有手动、单步、单周期、连续和回原位五种工作方式，从而很好的结合了实际生产的需要。关键词:机械手；plc控制；程序设计abstractas continuing development of the robots technology, the robots application at the industrial production is wider and wider.the research of this subject is using the robots technology to carry goods between the different belts on the production line.the manipulator in carrying goods on the basis of this article in the course of action requires a true multi-azimuth the multidimensional manipulator. the manipulator is drived by the hydraulic system which controlled by solenoid valve, but to rise and decline, left arrow, right arrow, grasp and undo eight actions, can be flexible in handling things. the manipulator control system design is the core. the manipulator of control and action for the analysis of the plc and the input and output signal, the amount accordingly adopt plc s7-200 cpu226 as a control core then, giving the i/o allocation sheetand and the hardware wiring diagrams.on this basis, according to the manipulator specific action procedure in five different work patterns, it gives full particulars of the plc programming process,and completes the program debug and emulation.the main innovations in this article is embodied in the manipulator control system design, which can make the manipulator have manual, stepover, monocycle, continue and the back five work patterns on the basis of accomplishing the transportation task, which is very good combination of the actual production needs.key words: manipulator; plc control; programming- 1 -武昌工学院毕业论文（设计）专用稿纸目录绪论11机械手结构及控制要求41.1机械手的组成及分类41.2机械手系统61.3机械手的工作过程81.4机械手控制系统92plc控制系统102.1plc的选型原则102.2机械手的控制要求102.3plc输入/输出量的确定112.4plc的选型112.5plc i/o点分配及硬件接线图133plc程序设计153.1程序的总体结构153.2各部分程序的设计154程序调试与仿真214.1软件介绍214.2程序编译214.3程序仿真过程与结果22结 语27主要参考文献28武昌工学院毕业论文（设计）专用稿纸绪论1引言机器人学是一门综合性的新兴学科，它涉及机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能学等多门尖端学科。工业机械手是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。随着科学技术的不断发展，工业机械手己成为柔性制造系统(fms)、自动化工厂(fa)、计算机集成制造系统(cims)的自动化工具。广泛采用工业机械手，不仅可以提高产品的质量和数量，而且对保障人身安全，改普劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义。2国内外研究状况及发展趋势工业机械手最早应用在汽车制造工业,常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(fms)和计算机集成制造系统(cims)，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大 宋旦锋模块化气动装卸机械手的研究与开发南京理工大学2004：15-23。工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是:机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；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，命名为unlmate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动:控制系统用磁鼓做存储装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成立万能自动公司(unimation)。专门生产工业机械手。1926年美国机械铸造公司也实验成功一种叫versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制:该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，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。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种unimation-vic-arm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，定位误差可小于lmm。联邦德国机器制造业是从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:联邦德国kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手(机器人)应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作 陆祥生，杨秀莲机械手理论及应用北京：中国铁道出版社1985(1)。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1927年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(1986-1990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氨弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(sia)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，dc-pwm等等。我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围；在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围 刘国栋我国的机器人研究与发展江南大学学报2001，16(14)：40-46。21世纪，机器人可能会成为与我们朝夕相处的伙伴，各国都在加大力度进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展:（1） 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。（2） 机械结构向模块化可重构化发展。（3） 工业机器人控制系统向基于cp机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；这是目前研究的热点。器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化设计结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4） 机器人中的多传感器系统日益重要。为进一步提高机器人的智能性和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键，其研究热点在于有效可行的多传感融合算法，特别是非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感融合算法。（5） 虚拟显示技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于程控，如使遥控机器人操作者产生置身于远程作业环境中的感觉来操纵机器人。（6） 微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，美国研制出一种世界上最小的机器人一纳米机器人。（7） 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自制系统，而是致力于系统操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。（8） 机械人化机械开始兴起。机器人化机械研究开发包括并联机构机床(vmt)与机器人加工中心(rmc)的开发研究，以及机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备的研究开发。这种开发的新型装置已成为国防研究的热点之一 陆祥生，杨秀莲机械手理论及应用北京：中国铁道出版社1985(1)。3论文主要研究内容和意义机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用在工业生产和其他领域内。应用plc控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。本课题的研究任务是进行机械手控制系统的设计，利用机械手将传送带a上的物品送到b传送带上，将可编程控制技术应用于机械手搬运物品的程序控制，使它完成一系列复杂动作:抓紧、松开物品，上下、左右移动，灵巧地进行搬运，在完成复杂动作的同时，使机械手能够快速、准确的搬运物品，提高工作效率。机械手的单个工作流程实现：将机械手移动到物品处、夹紧物品、将物品移动到指定位置、放下物品、机械手回到到初始位置。因而本选题的研究核心就是怎样实现上述控制过程完成搬运任务。本课题主要包括以下几个方面的研究内容：（1） 通过对机械手搬运流程的分析，明确机械手的功能需求，选择合适的机械手，提出总体设计方案。（2） 机械手控制系统设计，包括plc选型、硬件电路连接等。（3） plc程序设计及其调试与仿真。1机械手结构及控制要求1.1机械手的组成及分类1.1.1机械手的组成一个完整的工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成（如图1.1所示）。图1.1机械手的组成执行机构（也称操作机)是机械手赖以完成任务的实体，通常由杆件和关节组成。驱动传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，他们通常与执行机构连成一体，驱动机构通常有电机(直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机)、液动或气动装置；传动机构常用的有滚珠丝杠、谐波减速器、链、带以及各种齿轮轮系。控制系统一般由计算机和伺服控制器组成，前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时要完成编程和其他环境状况(传感器信息)、工艺要求、外部相关设备(电焊机、喷枪)之间的信息传递和协调工作，后者控制各个关节驱动器，使各杆件按照一定的速度、加速度和位置要求进行运动。智能系统是目前机械手系统中一个不够完普但发展很快的子系统，它分为两个部分:感知系统和分析一决策智能系统，前者主要是靠硬件(各类传感器)实现，后者主要靠软件(如专家系统)实现 王承义机器人及其应用第2版北京：机械工业出版社，2005(1)。1.1.2机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为:(1)按机械手的使用范围分类:专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。通用机械手(也称工业机器人)指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机 械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。(2)按机械手臂部的运动坐标型式分类:直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴x、y、z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿x方向的移动)、左右移动(定为沿y方向的移动)和上下升降(定为沿z方向的移动)；圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的x和z方向移动，又可绕z轴转动(定为绕z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴x方向移动，还可以绕y轴和z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿x方向移动)、上下摆动(定为绕y轴摆动)和左右转动(仍定为绕z轴转动)；多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。(3)按机械手的驱动方式分类:气压驱动使用压力通常在0.40.6mpa。气压驱动主要优点是气源方便(一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。气动驱动的缺点是功率质量小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高，适用于易嫩、易爆和灰尘大的场合。液压驱动液压驱动系统用25mpa的油液气动机器人，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有平率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。用电液伺服控制液体流量和运动方向时，可以使机器人轨迹重复性提高。液压驱动和缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力比较大，运动速度比较低的场合。电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点。电气驱动己经成为最普遍，应用最多的驱动方式，90年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。(4)按机械手的臂力大小分类:微型机械手臂力小于1kg；小型机械手臂力为110kg；中型机械手臂力为1030kg；大型机械手臂力大于30kg。1.2机械手系统本课题中机械手要实现的任务是将a传送带上的物品搬运到b传送带上。机械手的单个工作流程如下：将机械手移动到物品处、夹紧物品、将物品移动到指定位置、放下物品、机械手移动到初始位置。因而在搬运的过程中就要求机械手必须具有以下的功能:夹紧松开物品，能够实现左移、右移、上升和下降。根据机械手的动作要求，采用如图1.2所示的机械手 史国生，崔洪斌，梁雪春plc在机械手步进控制中的应用组合机床与自动化加工技术2001(08)：25-26。图1.2机械手结构示意图该机械手能实现以下动作：(1) 整体上升：机械手相对与工作台面做向上运动，使得机械手的高度满足要求。(2) 整体下降：机械手相对与工作台面做向下运动，使得机械手的高度满足要求。(3) 手臂左旋：保持整体高度不变，机械手相对于工作台面向左旋转到合适位置，为传送带a上取物品做好准备。(4) 手臂右旋：保持整体高度不变，机械手相对于工作台面向右旋转到合适位置，为放物品到传送带上做好准备。(5) 手指抓紧：机械手从传送带a上抓起物品。(6) 手指松开：机械手放物品到传送带b上。机械手完成上述这些动作主要是用液压系统来驱动。机械手的上升下降和左移右移的执行机构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，直到相对的另一线圈通电为止。机械手的抓紧放松动作由单线圈二位电磁线圈驱动液压装置完成。线圈断电时机械手抓紧物品，线圈通电时机械手松开物品，以防止停电时物品跌落。为了控制物体的位置，防止物体超出合理的工作范围，在机械手运动的极限位置分别设置5个限位开关：上升限位开关、下降限位开关、左旋限位开关、右旋限位开关、抓紧限位开关。它们主要是用来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。(1) 上升限位开关：上升限位开关用于控制机械手能在整体上升时的位置,事先在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关，当机械手上升到能接触上升限位开关时，plc控制机械手停止上升。(2) 下降限位开关：下降限位开关用于控制机械手能在整体下降时的位置，事先在机械工作平台下方的合适位置上安装好限位开关，当机械手下降到能接触下降限位开关时，plc控制机械手停止下降。(3) 左旋限位开关：左旋限位开关用于控制机械手手臂向左运动时的定位，事先在机械工作平台的合适位置上安装好限位开关，当机械手手臂向左运动到左旋限位开关时，plc控制机械手手臂停止向左运动。(4) 右旋限位开关：右旋限位开关用于控制机械手手臂向右运动时的定位，事先在机械工作平台的合适位置上安装好限位开关，当机械手手臂向右运动到右旋限位开关时，plc控制机械手手臂停止向右运动。(5) 抓紧限位开关：抓紧限位开关用于控制机械手手指在从传送带a上取物品时抓物品的松紧程度，事先在机械手的合适位置上安装好限位开关，安装的根据是既要保证物品能够被机械手抓牢，又不能抓的太紧而损环物品本身。当机械手手指抓紧接触到抓紧限位开关时，plc控制机械手手指停止动作。机械手手指的放松动作利用时间控制，放松时间为2s。在传送带a的旁边两侧的合适位置，安装了光电开关sp。光电开关主要用来检测物品的到来，指示传送带a上的物品到达了合适机械手抓起物品的位置。当光电开关检测到物品时为on状态。传送带a并不需要时刻连续地运转传送，并且也不可能一直连续地传送物品，而是根据机械手的当前工作情况由控制机械手的控制系统来一同控制传送带a的工作与否，该在什么时刻启动传送，该在什么时刻停止传送。因此，就必须要在传送带a的电机部分装一个可以控制电机是运转还是停止的接触器，再通过plc来控制接触器，最后达到控制的目的 戴仙金西门子s7-200系列plc应用与开发北京：中国水利水电出版社，2007：180-190。1.3机械手的工作过程利用上面介绍的机械手，为了将传送带a上的物品搬运到传送带b上，机械手及传送带a顺序动作的要求是：（1） 机械手在原位时，按下起动按钮，机械手系统工作，传送带a的电机接触器接通，传送带a运转；（2） 当光电开关检测到物品后，传送带a的电机接触器断开，传送带a停止，机械手手臂下降；（3） 当下降限位开关动作时，抓紧放松电磁阀断电，机械手执行抓紧动作；（4） 当抓紧限位开关动作时，上升电磁阀通电，机械手整体上升；（5） 当上升限位开关动作时，右旋电磁阀通电，机械手手臂向右旋转；（6） 当右旋限位开关动作时，下降电磁阀通电，机械手整体下降；（7） 当下降限位开关动作时，抓紧放松电磁阀通电，机械手松开手抓，经延时2秒后，完成一次搬运任务，机械手返回原位，然后重复循环以上过程。（8） 按下停止按钮或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。机械手的工作流程图如图1.3所示：图1.3机械手的工作流程图1.4机械手控制系统机械手控制系统的设计，属于自动控制领域的内容，传统的继电器控制的半自动化装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰，从而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题，已经不能满足机械手控制的需求。plc作为用于工业生产过程控制的专用计算机，由于控制对象的复杂性、使用环境的特殊性和工作运行的连续性，使plc在设计上有许多优点 王永华现代电气控制及plc应用技术第2版北京：北京航空航天大学出版社，2008：106-107:（1） 可靠性高。在i/o环节，plc采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的应用程序都是用存储，一般plc的平均无故障工作时间可达几万小时以上。（2） 控制性能强。plc所采用的cpu一般具有较强处理功能的位处理机，为了增强其复杂控制功能和联网通行等管理功能，可以采用双cpu的运行方式，使其功能得到极大的加强。（3） 编程方便易学。第一编程语言(梯形图)是一种图形编程语言，与多年来工业使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员的学习。（4） 适用于恶劣的工业环境。采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。（5） 与外部设备连接方便。采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合多种电气规格。（6） 体积小、重量轻、功耗低。（7） 性价比高。与其他控制方式相比，性价比较高。（8） 模块化结构，扩展能力强。根据现场需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的plc可用于控制从几个i/o到几百个i/o点的控制系统。（9） 维修方便，功能更改灵活。程序的修改就意味着控制功能的修改，因此功能的改变非常灵活。基于plc的以上优点，本文选择plc作为机械手控制系统的核心。首先通过plc对电磁阀进行控制，然后用电磁阀控制的液压系统来驱动机械手的动作。2plc控制系统2.1plc的选型原则目前各种型号的plc在市场上大量出现，不同品种的plc，由于存在性能上的区别、价格上的差异，对用户选择造成困难。所以这里就如何来选择plc及注意的问题作一阐述 王兆义选择可编程程序控制器的几个原则电子世界，1989(5)。(1)规模要适当i/o点数的数目可衡量plc的规模的大小。一台plc的i/o点数应是直接可输入输出点数的总和。用户可根据被控现场的实际选择相应的i/o点的plc，并且要留有一定的余地。(2)功能要相当、结构要合理用于开关量控制的场合，只要选择由继电器逻辑功能的plc就可以。若被控对象是以开关量为主，并有少量模拟量处理，这时就要选择既有继电器功能，还要具有加减运算、a/d、d/a转换、bcd功能处理的plc。plc的结构有整体式和插件式两种，整体结构的plc把cpu与i/o、电源封装在不同的印刷板上，形成以大阪为核心的盒式形状，它的特点是结构简单、节省插头、体积小等优点；插件结构的plc构成灵活，易于扩充、维修方便，但造价比较高，大型复杂的工业设备比较适用。(3)编程方便最常用的还是梯形图和语句表法。梯形图法用人们熟悉的继电器符号编程，不需要计算机知识，这种方法比较适合我国的国情。语句表法比梯形图难掌握。可以这样说，继电器控制的人喜欢梯形图编程，而计算机专业的人用语句法编程感到比较顺手。2.2机械手的控制要求机械手的操作方式分为手动操作方式和自动工作方式。自动工作方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式 张应金plc在机械手搬运控制系统中的应用自动化博览，2008(2)。机械手的5种工作方式分部如下:(1) 手动工作方式：用各种操作按钮（上升、下降、左旋、右旋、夹紧和松开按钮）对机械手的每一步运动单独进行控制。(2) 单步工作方式：每一次按下启动按钮，机械手向前执行一步动作。(3)单周期工作方式：机械手在原位时，按下启动按钮，自动执行一个周期的动作，最后返回原位。如果在动作过程中按下停止按钮，机械手停在该工序上，再按下启动按钮，则又从该工序继续工作，最后停在原位。(4)连续工作方式:机械手在原位时，按下启动按钮，机械手就连续重复进行工作。如果按下停止按钮，机械手运动到原位后停止。(5)返回原位工作方式：按下回原位按钮，机械手自动回到原位状态。通过旋转开关来对这5种工作方式进行选择。机械手操作面板如图2.1所示：图2.1机械手操作面板示意图2.3plc输入/输出量的确定根据前面的机械手控制要求及动作流程:机械手要执行整体上升下降、手臂左旋右旋和手指抓紧放松动作需要相应的控制按钮对其进行控制，即上升、下降、左旋、右旋、抓紧和放松按钮，它们都是plc的输入部分。同时还有各种限位开关和光电开关共6个也是输入。机械手的多种工作方式利用旋转开关进行选择，考虑到系统的起动动和停止，还需增加启动按钮和停止按钮。因此，plc的输入量共有20个。机械手各动作的执行是靠电磁阀线圈的通断电控制的，机械手共有5个电磁阀线圈。同时还有一个电机接触器对传送带a的运转进行控制。因此，plc的输出量共有6个。2.4plc的选型s7-200系列是西门子公司生产的小型可编程控制器，可以单机运行，也可以进行输入/输出和功能模块的扩展，它的价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比非常高，所以它在各行各业中的应用得到迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。因而选择s7-200系列plc来作为多维机械手控制系统的控制主机。s7-200系列plc中可提供4种不同的基本型号的8种cpu供选择使用 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团深入浅出西门子s7-200plc第2版北京：北京航空航天大学出版社，2005，其输入输出点数的分配见表2.1：表2.1s7-200系列plc中cpu22x的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数s7-200cpu22164s7-200cpu222862个扩展模块78路数字量i/o点或10路模拟量i/o点s7-200cpu22414107个扩展模块168路数字量i/o点或35路模拟量i/o点s7-200cpu22624162个扩展模块248路数字量i/o点或35路模拟量i/o点s7-200cpu226xm24162个扩展模块248路数字量i/o点或35路模拟量i/o点在本课题中，考虑到需要输入量为20个、输出量为6个，选用cpu226作为机械手控制系统的控制主机，其主要性能如表2.2所示:表2.2s7-200 cpu226主要性能 描述cpu226 dcdcdccpu226acdc继电器 存储器特性程序存储器在线程序编辑时非在线程序编辑时数据存储器16384bytes24576bytes10240bytes16384bytes24576bytes10240bytes io特性本机数字量输入本机数字量输出本机模拟量输入本机模拟量输出允许最大扩展io模块允许最大的智能模块脉冲输出24输入16输出无无7个模块7个模块2个20khz(仅限于dc输出）24输入16输出无无7个模块7个模块2个20khz(仅限于dc输出） 常规特性定时器总数 1ms 10ms 100ms计数器总数256个4个16个236个256256个4个16个236个256 输入电源输入电压输入电流20.4-28.8vdc150ma(仅cpu，24vdc）1050ma(最大负载， 24vdc）85-264vac（47-63hz)80/40ma(仅cpu，120/240vac）320/160ma(仅cpu，120/240vac）2.5plc i/o点分配及硬件接线图2.5.1i/o点分配依据控制要求和需要点输入、点输出，选用的可编程控制器西门子s7-200 cpu226为24输入、16输出，其i/o点分配表如表2.3所示:表2.3西门子s7-200 cpu226 i/o点分配表输入(i) 输出（o）i0.0启动按钮sb1q0.0上升电磁阀i0.1停止按钮sb2q0.1下降电磁阀i0.2手动操作按钮 saq0.2左旋电磁阀i0.3返回原位按钮q0.3右旋电磁阀i0.4单步按钮q0.4松紧电磁阀i0.5单周期按钮 q0.5传送带a的电机接触器i0.6连续运行按钮i0.7光电开关sq7i2.0上升限位开关sq1i2.1下降限位开关sq2i1.0左旋限位开关sq3i1.1右旋限位开关sq4i1.2夹紧限位开关sq5i1.3回原位按钮sq6i1.4上升按钮sb3i1.5下降按钮sb4i1.6左旋按钮sb5i1.7右旋按钮sb6i2.2夹紧按钮sb7i2.3松开按钮sb82.5.2plc硬件接线图plc硬件接线图如图2.2所示：图2.2plc硬件接线图3plc程序设计3.1程序的总体结构机械手控制系统设有手动、单步、单周期、连续和回原点5种工作方式，机械手在最上面、最左面且电磁铁线圈断电（即手爪不抓工件）时，称为系统处于原点状态。如图3.1所示为机械手系统的plc梯形图程序的总体结构。图3.1机械手系统的plc梯形图程序的总体结构将程序分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序四个部分，其中自动程序包括单步、单周期和连续工作的程序，这是因为它们的工作都是按照同样的顺序进行，所以将它们合在一起编程更加简单。梯形图中使用跳转指令使得自动程序、手动程序和回原位程序不会同时执行。假设选择“手动”方式，则i0.2为on，i0.3为off，此时plc执行完公用程序后，将跳过自动程序到1处，由于i0.2常闭触点为断开，故执行“手动程序”，执行到2处，由于i0.3常闭触点闭合，所以又跳过回原位程序至3处；假设选择“回原位”方式，则i0.2为off，i0.3为on，跳过自动程序和手动程序执行回原位程序；假设选择“单步”或“单周期”或“连续”方式，则i0.2、i0.3均为off，此时执行完自动程序后，跳过手动程序和回原位程序。3.2各部分程序的设计3.2.1公用程序机械手在最上面、最左面且电磁线圈通电时，称为系统处于原点状态。公用程序如图3.2所示，左限位开关i1.0、上限位开关i2.0的常开触点和表示机械手松开的q0.4的常开触点的串联电路接通时，辅助继电器m0.0变为on，表示机械手在原位。公用程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理，当系统处于手动工作方式时，必须将初始步以外的各步对应的辅助继电器（m1.1m1.7和m2.0，m2.1）复位，同时将表示连续工作状态的m0.1复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式时，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误的动作。当机械手处于原点状态（m0.0为on），在开始执行用户程序（sm0.1为on）、系统处于手动状态或回原点状态（i0.2或i0.3为on）时，初始步对应的m1.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。如果此时m0.0为off状态，m1.0将被复位，初始步不活动，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。图3.2公用程序3.2.2手动程序手动工作时，用对应的6个按钮控制机械手的上升、下降、左旋、右旋、松开和夹紧。为了保证系统的安全运行，在手动程序设置一些必要的联锁。例如上升与下降之间，左旋与右旋之间的互锁；上升、下降、左旋、右旋、夹紧的限位。手动程序如图3.3所示：图3.3手动程序上限位开关i2.0的常开触点与控制左、右行的q0.2和q0.3的线圈串联，使得机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体相撞。3.2.3自动程序如图3.4所示为机械手系统自动程序的功能图表：图3.4自动程序的功能表图根据功能表图，使用通用指令的编程方式设计出的自动程序如图3.5所示：图3.5自动程序系统工作在连续、单周期（非单步）工作方式时、i0.4的常闭触点接通，使m0.2（转换允许)为on，串联在各步电路中的m0.2的常开触点接通，允许步与步之间的转换。假设选择的是单周期工作方式，此时i0.5为on，在m1.1的电路中，m1.0、i0.0、m0.2的常开触点和m1.2的常闭触点均接通，使m1.1为on,系统进入a运转步，q0.5为on，a传送带开始运转；关电开关i0.7检测到物品时，m1.2变为on，转换到a停/下降步，q0.5被复位a传送带停止运转，同时q0.1为on,机械手下降，至下降限位开关动作，i2.1接通，使系统进入夹紧步。系统就这样一步一步的往下工作，当机械手在步m2.1返回最左边时，因为此时不是连续工作工作方式，m0.1处于off状态，转换条件满足，系统返回并停留在初始步m1.0。在连续工作方式时，i0.6为on，在初始状态下按下启动按钮i0.0，与单周器工作方式时相同，m1.1变为on，a传送带运转，与此同时，控制连续工作的m0.1为on，往后的工作过程与单周期工作方式相同。当机械手在步m2.1返回最左边时，i1.0为on，因为m1.0为on，转换条件满足，系统将返回步m1.1，反复连续的工作下去。按下停止按钮i0.1后，m1.0变为off，但是系统不会立即停止工作，在完成当前的全部动作后，在步m2.0返回最左边，左限位开关i1.0为on，转换条件满足，系统才返回并停留在初始步。如果系统处于单步工作方式，i0.4为on，它的常闭触点断开，转换允许辅助继电器m0.2在一般情况下为off，步允许步与步之间的转换。设系统处于初始状态，m1.0为on，按下启动按钮i0.0，m0.2变为on，系统进入a运转步。放开启动按钮后，m0.2马上变为off。在a运转步，q0.5被置位，a传送带运转，光电开关检测到物品时，i0.7变为on，i0.7常开触点闭合，如果没有按启动按钮，i0.0和m0.2处于off状态，一直要等到按下启动按钮，i0.0和m0.2变为on，m0.2的常开触点接通，转换条件i0.7才能使m1.2接通，m1.2得电并保持，系统才能由a转步进入a停/下降步。以后在完成某一步的操作后，都必须按一次启动按钮，系统才能进入下一步。在输出程序部分，常闭触点是为单步工作方式设置的。以下降为例，当机械手碰到限位开关i2.1后，与下降步对应的辅助继电器m1.2不会马上变为off，如果q0.1的线圈不与i2.1的常闭触点串联，机械手不能停在下限位开关i2.1处，还会继续下降，这种情况下可能造成事故。3.2.4回原点程序图3.6回原位程序如图3.6所示为机械手自动回原点程序的梯形图。在回原点工作方式（i0.3为on），按下回原位启动按钮i1.3，m0.3变为on，机械手松开和上升，伸到上限位开关时i2.0为on，左行停止并将m0.3复位。这时原点条件满足，m0.0为on，在公用程序中，初始步m0.0被置位，为进入单周期、连续和单步工作方式作好了准备。4程序调试与仿真4.1软件介绍4.1.1step 7-micro/win v4.0step 7-micro/win v4.0编程软件为用户创建程序提供了便捷的工作环境，丰富的编程向导，提高了软件的易用性。它的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能：（1) 在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与plc断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。（2) 在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的plc直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。（3) 在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处自动，语句表的错误行前自动画上红色*，且在错误处加上红色波浪线。（4) 对用户程序进行文档管理、加密处理等。（5) 设置plc的工作方式、参数和运行监控等。4.1.2s7_200_sim1.2s7_200_sim1.2是西门子s7-200中文仿真软件，其仿真操作步骤如下：（1） 在step 7-micro/win v4.0中新建一个项目（2） 输入程序，编译正确后在文件菜单中导出为awl文件（3） 打开仿真软件，点“配置”-“cpu型号”(或在已有的cpu图案上双击)（4） 在弹出的对话框中选择cpu型号，要与你项目中的型号相同（5） 点“程序”-“载入程序”(或工具条中的第二个按钮)（6） 会有个对话框，这里要选择你的step 7 microwin的版本（7） 将先前导出的awl文件打开，会提示无法打开文件(不要管它，直接确定)，这里出现错误的原因是无法打数据块和cpu配置文件 载入程序时不要先全部，只载入逻辑块则不会出现错误（8） 点“plc”-“运行”(或工具栏上的绿色三角按钮)4.2程序编译程序编好之后，在step 7上进行了编译，把其中有错误的部分反复修改后，编译没有错误，如图4.1所示：图4.1程序编译无误后的界面4.3程序仿真过程与结果将在step 7-micro/win v4.0中编译正确后的程序载入仿真软件s7200_sim1.2，进入如图4.2所示界面：图4.2仿真界面点击运行后按如下步骤进行仿真检测:(1) 手动工作方式：使i0.2灯亮，选择手动工作方式。分别使灯i1.4亮（上升命令）、i1.5亮（下降命令)，则与之分别对应的灯q0.0亮(机械手上升）、q0.1亮（机械手下降）；在i2.0亮（机械手位于最上面）的情况下，分别使i1.6亮