《可编程控制器》课程设计-坐标式气动机械手设计.doc

设 计 说 明 书可编程控制器课程设计全套设计加扣 3012250582设 计 题 目： 坐标式气动机械手设计 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14电气工程及其自动化（3）班 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气系2017年 2月 25日目录1. 引言31.1课程设计的目的31.2设计内容及实现的目标32. 系统总体设计方案42.1系统硬件配置及组成原理42.1.1系统硬件配置42.1.2 PLC系统的结构组成42.1.3坐标式机械手的组成原理52.2系统变量定义及分配表52.3系统接线图设计63. 控制程序设计73.1控制程序流程图设计73.2控制系统的设计思路、程序设计73.3 创新设计内容124. 控制系统的上位机134.1人机界面选择134.4人机界面设计134.1.1通讯连接134.1.2变量设置134.1.3画面组态145. 系统调试及结果分析165.1 PLC程序调试及解决问题165.2 PLC与上位机联调165.3结果分析176. 结束语18 附录：.251. 引言1.1课程设计的目的 我国的工业化日益进程加快生产力提高，这就对生产技术提出了新高度的要求。然而过去80年代我国就把机械手引入工业生产中。大大提高了生产的效能降低生产成本，使产品更具有竞争力。按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。1.2设计内容及实现的目标 本次的课程设计的主题就是：坐标式气动机械手设计。（1）动作顺序：机械手从原点位置起始下移到A处下限位从A处夹紧物体后上升至上限位右移至右限位机械手下降至B处下限位将物体放置在B处后上升至上限位左移至左限位（原点）为一个循环。（2）上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制；机械手设立起动和停止开关。（3）机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。（4）机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。（5）若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。（6）要求循环工作1小时时，判断机械手是否夹有物体，若没有，则立即自动停止工作并警铃报警；若夹有物体，则继续工作至物体放置到B位后自动停止工作并警铃报警。此次设计的目标希望通过这次课程设计对本门课知识加以巩固，充分的理解书上的知识点。对机械手的工作原理有一个透彻的分析和掌握，可以设计出真正能够服务于工业生产的产品。2. 系统总体设计方案2.1系统硬件配置及组成原理 2.1.1系统硬件配置（1）选用配置的CPU型号为224xp，应为自身提供了本机数字量I/O口14入10出，本机模拟量I/O口2入1出。而需要11个DI口，8个DO口所以自身所带足够使用不需要任何的扩展模块，同时也节约成本。（2）还需要一台西门子的的显示屏，实现上位机和下位机的连接。可以实现在控制版面上的控制和显示屏上的远距离操控。 2.1.2 PLC系统的结构组成 PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心。输入单元和输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。 1）中央处理器是可编程序控制器的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。 2）存储器主要有两种：一种是随机读写存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。 3）输入/输出单元是可编程序控制器的CPU与现场输入/输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。所有输入输出单元均带有光电耦合电路，其目的是把可编程序控制器与外部电路隔离开来，以提高可编程控制器的抗干扰能力。 4）PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都要带有通信车护理期。PLC通过这些通信接口可与打印机、监视器、其他PLC、计算机等设备实现通信。 5）编程设备用来编辑、调试、输入用户程序，也可在线见识PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程设备可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。 6）PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定性要求不高一般允许电源电压在其额定值15%的范围内波动。图2-1 PLC系统结构组成2.1.3坐标式机械手的组成原理机械手主要由手部、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。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或DSP等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能图2-2 机械手工作原理2.2系统变量定义及分配表根据不同控制要求，可以定义不同的变量名来代替外界发来的开关信号，并且合理的分配对应的变量，从而针对性的进行开关信号的转变，使程序的可读性增强，使程序在扩展方面更加方便。在我的设计方案中，I/O分配如表2-1所示。表2-1 输入/输出信号的定义及地址分配表PLC软元件元件文字符号元件名称控制功能输入I0.0Sb0按钮0（带灯）启动I0.1SQ1干簧接近开关1上限位检测I0.2SQ2干簧接近开关2左限位检测I0.3SQ3干簧接近开关3下限位A检测I0.4SQ4干簧接近开关4下限位B检测I0.5SQ5干簧接近开关5右限位检测I0.7SB2按钮2开启手动操作I1.0SB3按钮3手动上移I1.1SB4按钮4手动左移I1.2SB1按钮1停止输出Q0.0YV1电磁阀线圈1夹紧+灯0Q0.1YV2电磁阀线圈2下降+灯1Q0.2YV3电磁阀线圈3上升+灯2Q0.3YV4电磁阀线圈4右行+灯3Q0.4YV5电磁阀线圈5左行+灯4Q0.5YV6电磁阀线圈1放松+灯5Q0.6HL警铃报警停止Q0.7HL指示灯原点位2.3系统接线图设计接线图，是根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电气动作原理。主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理。 根据系统变量定义及分配表可以看出，要实现控制目的要利用PLC中的10个输入继电器和10个输出继电器，所以本系统可以选用PLC型号为西门子S7200(CPU224xp)，这种机型的I/O点数分别为14/10；而输入部分的电压可以采用DC24V的直流电，输出部分的电压则必须采用AC220V的交流电，并且热继电器的辅助常闭触点要接在主线上，这样才能达到保护的目的。此坐标式气动机械手控制的接线图可如图2-3所示。 图2-3 坐标式气动机械手控制的接线图 3. 控制程序设计3.1控制程序流程图设计我采用的顺序功能图设计方法，同时有经验设计法加入一小时后停车判断。以及原点指示灯。SM0.1 I0.0M0.0机械手松开下降状态Q0.5Q0.1M0.1机械手碰到下限位开关夹紧等1s后上升I0.3Q0.0M0.2机械手夹紧上升到上限位T37Q0.0Q0.2M0.3循环重复动作等待0.5s夹着物体右移I0.1Q0.0Q0.3M0.4到右限位等0.5s向下运动I0.5I0.4Q0.0Q0.1M0.5碰到下限开关放下物体Q0.5M0.6等1s松开上升T40Q0.5Q0.2M0.7I0.5 I0.2向左移动回原点I0.2Q0.5Q0.4M1.0Q0.5M1.1T423.2控制系统的设计思路、程序设计 设计思路：用I0.0启动自动进入工作模式，当遇到突发情况时停止。附加上手动复位功能。当机械手未停在原点时可以通过手动开关I1.0和I1.1向上或者向左移动。3.3 创新设计内容本课题设计中，没有原点判断的标志灯，我添加了一个原点判定HL灯。此外我在手动模式复位时还添加互锁保护。并且在工作一个小时后可以停止，如果没有夹持物体则自动停止，如果夹持物体则放下后才可以停止。还加入模拟测试程序。4. 控制系统的上位机4.1人机界面选择我们此次用的是富昌维控公司的触摸屏。人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。用户和系统之间一般用面向问题的受限自然语言进行交互。目前有有系统开始利用多媒体技术开发新一代的用户界面。4.4人机界面设计4.1.1通讯连接 为了实现PLC与计算机间的通信，必须使用具有Window2000以上操作系统的计算机，同时必须配备下列三种设备的一种：一根PC/PPI电缆（一端是RS-485接口，另一端是RS-232C接口）、一个通信处理器（CP）卡和多点接口（MPI）电缆、一块MPI卡和配套的电缆。利用一根PC/PPI电缆可建立个人计算机与PLC之间的通信。显示屏需要设定如下图4-1。 图4-1通信建立的设置4.1.2变量设置表4-1 上位机输入、输出变量 4.1.3画面组态人机界面具体分为.四个界面：主界面、控制显示界面、手动回位及用户帮助界面。图4-2开机进入主页面图4-3控制显示页面图4-4手动回位界面图4-5用户使用帮助界面5. 系统调试及结果分析5.1 PLC程序调试及解决问题在刚刚写好程序时出现了多出错误，和双线圈问题但经过修改所有的问题都得到解决，并且在完成老师要求的基本之外还附加上自己的更好建议想法和改良措施。图5-1机械手夹紧上升状态图5-2机械手松开回位状态5.2 PLC与上位机联调 PLC与上位机的联调：首先在实验室将线路接通后，在V4.0 STEP7 Micro WIN SP9中打开程序，进行程序的通信，并下载程序，随后运行程序，关闭V4.0 STEP7 软件。紧接着，打开组态王软件，选择自己的工程，点击VIEW，运行自己创建的人机界面。联调时，第一，点击人机界面中的主页面上的控制显示画面跳转到第二页，按开始向下运动夹物体，观察是否符合设计要求；第二，直接拨动PLC工作台上的I0.0开始，拨动相应的限位开关，观察是否符合设计要求。只有两者都成功了，才能确保PLC与上位机联调成功。图5-1画面演示图5-2手动模式演示5.3结果分析在机房调试刚开始遇到很多问题，通讯线连接不上，CPU和显示屏无法建立网络连接，后来等了很久才拿到一台没有问题的机器，经过一会的调试就可了，因为在线下模拟时就已经解决了问题，在上机位时所以很多问题都迎刃而解了。按下按钮可以完整的执行所有任务，各个功能正常，不足的地方是我做的显示屏画面还不够好加入的新功能还不够多，不能够更加的亲近现实化，要想真正能够运用到实际的工业生产中好需要很多的改进之处。6. 结束语经过两个周的时间来做这个课程设计，其实真正做是在第一周就已经做完上位机和下位机。这是一个制定目标对立思考解决问题的过程。在做设计的过程中把上学期学过的知识有系统的看了一遍，并且翻阅了很多的参考设计书。也对真正生产过程中机械手的工作有了解，其实这种最基本的搬运机械手是很简单的。而工厂中或者医疗服务行业等他们使用的都是三维空间的工作模式，那个会比较复杂动力系统需要多个。这个设计完整的做了出来并且取得效果满足要求。我还加入了原点位置判断灯，以及工作一小时后自动关机停机诊断。且如果物体未放下直至放下才能够停止，如果已经放下即可停止并同时报警响起。此外还含有手动回原点位。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。参考文献：1胡志刚. 基于S7-200 PLC的气动机械手控制系统设计J. 机械工程师,2014,(03):120-121.2黄卫庭,胡汉文. 基于西门子S7-200PLC的机械手控制J. 数字技术与应用,2014,(01):9-10.3牛瑞利. 基于西门子PLC的小型搬运机械手控制系统设计D.南京理工大学,2013.4于复生,段登家,杜桂林,李涛. 基于S7-200 PLC的四自由度机械手控制系统设计J. 液压与气动,2013,(08):89-91.5刘涛,杜秋来,龚林生. 基于S7-200 PLC的三维机械手控制设计J. 科技广场,2011,(09):180-182.6崔伟清,李艳艳. 基于