机械手及控制系统设计
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目 录
第1章 绪论……………………………………………………………………… 1
1.1 课题研究目的及意义……………………………………………………… 1
1.2 国内外机械手研究概况…………………………………………………… 1
1.3 课题研究的内容和预计达到目的………………………………………… 2
第2章 机械手介绍……………………………………………………………… 3
2.1 机械手驱动系统选型……………………………………………………… 3
2.2 机械手控制系统选型……………………………………………………… 5
第3章 S7-200系统的基本介绍………………………………………………… 8
3.1 S7-200硬件系统基本构成………………………………………………… 8
3.2 S7-200PLC内部资源……………………………………………………… 9
第4章 电机和传感器选择……………………………………………………… 11
4.1 电机选择…………………………………………………………………… 11
4.2 传感器选择………………………………………………………………… 12
第5章 控制部分设计………………………………………………………………14
5.1 电机正反转的实现………………………………………………………… 14
5.2 PLC程序编写……………………………………………………………… 15
5.3 PLC程序调试……………………………………………………………… 24
第6章 总结……………………………………………………………………… 26
致谢………………………………………………………………………………… 27
主要参考文献……………………………………………………………………… 28
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
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(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 国内外机械手研究概况
机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。
目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。
国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。
1.3课题研究的内容和预计达到目的
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。通过设计编制PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。利用组态软件MCGS设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，实现机械手的监控。通过MCGS将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化。提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。
本课题要达到的目的有：1.机械手的机构能满足其动作要求，实现相应功能。2.上升，下降，夹紧等动作的实现手段。3.电动机正反转的控制。4.运用PLC控制动作的转换4.完成基本设计后要达到以下要求：实现原位→下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的动作；搬运过程平稳可靠，断电情况下不会出现工件的脱落。第2章机械手介绍
在本课题中机械手主要是由执行机构，控制系统，驱动系统三部分所构成。其中执行机构即机械手的机械部分，由于此课题主要研究的是通用机械手的控制系统设计，所以在这里不需要再另外进行机械部分的设计，所以这里只做简要的介绍。顾名思义在本课题中执行机构即是指机械手，而机械手又由手指，关节，大臂，小臂，支座等几部分构成，通过这几部分来模拟人手臂，以期完成需要的动作实现其功能。与此同时在该装置中驱动系统主要采用电机驱动，通过电机来给予整个装置提供动力和运动支持，它的选择是经过与其他驱动方式相互比较后得来的，这一点在后面的论文中会有详细的介绍。最后关于机械手的控制系统的选择及其控制功能的实现，由于PLC软件具有简单易学，使用和维护方便，运行稳定可靠，设计施工周期短等优点，因此这里选择的是PLC（可编程逻辑控制器）控制系统。
2.1机械手驱动系统选型
该机械手一共具有三个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要三个动力源。机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表1 S7-200PLC是德国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一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型的PLC，日本的小型PLC占据了中国的大部分市场份额。在S7-200推出后，这种情况得到了明显的改变，最近几年以来的小型PLC市场上S7-200成为了主流产品。
西门子最早的小型PLC产品是在上世纪末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPU22*系列的产品所取代了。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，几乎可以完成任何功能的控制任务。现在最新版的S7-200系列PLC是在2004年推出的，它的主要特点是：较高的可靠性，丰富的指令集，丰富的内置集成功能，实时特性强和强大的通信能力。
3.1 S7-200硬件系统基本构成
S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入/输出（I/O）点，一个主机单元就是一个系统。它还可以进行灵活的扩展，如果I/O点数量不够，则可以增加I/O扩展模块；如果需要其他特殊的功能，则可以增加相应的功能模块。一个完整的系统组成由主机单元，扩展单元，特殊功能模块，相关设备，软件五部分构成，其构成如图3-1所示。主机单元：又叫基本单元或CPU模块。它是由CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等组成，是PLC的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。
扩展单元：也称扩展模块。当主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。根据I/O点数的数量不同（如4点，8点，16点等），性质不同（如DI,DO,AI,AO等），供电电压不同（如DC24V,AC220V等），I/O扩展模块有多种类型。每个CPU所能链接的扩展单元的数量和实际所能用的I/O点数是由多种因素共同决定的。S7-200的I/O扩展模块有EM221，EM222，EM223，EM231,EM232，EM235等。在此次的控制系统设计中由于其主程序的网络有三十多条但PLC只提供了25条输入网络因此需要用到一个输入扩展模块EM221，这里选择使用一个16点的DC。
特殊功能模块：当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块，特殊通信模块等。
相关设备：相关设备是为充分利用系统的硬件和软件资源而开发，使用的一些设备，主要有编程设备，人机操作界面和网络设备等。
软件：软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对S7-200PLC来说，与其配套的软件主要有编程软件STEP7-Micro/WIN和HMI人机界面的组态编程软件ProTool，WinCC fexible。在这里选用的是STEP7-Micro/WIN软件。
3.2 S7-200PLC内部资源
软元件：用户使用的PLC中的每一个输入/输出，内部存储单元，定时器等都称作软元件。软元件有其不同的功能，有固定的地址。软元件的数量决定了可编程控制器的规模和数据处理能力，每一种PLC的软元件数量是有限的。在该设计方案中，需要用到的软元件有输入继电器，输出继电器，通用辅助继电器，变量存储器，定时器等。
1.输入继电器位于PLC存储器额的输入过程映像寄存器（Process-Image Input Register）区，其外部有一对物理的输入端子与之对应，该触点用于接收外部的开关信号，比如按钮，行程开关，光电开关等传感器的信号都是通过输入继电器的物理端子接入到PLC的。当外部的开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中其常开触电闭合，常闭触电断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。
每个输入继电器都对应有一个映像寄存器，在每个扫描周期的开始，PLC对个输入点进行采样，并把采样值通过输入继电器送到映像寄存器。PLC在接下来的本周期各阶段不在改变输入映像寄存器中的值，直到下一个扫描周期的输入采样阶段。
实际输入点数不能超过PLC所提供的具有外部接线端子的输入继电器的数量，具有地址而未用的输入映像区可能有剩余，它们可以做其他编程元件使用，但为了程序的清晰和规范，建议不报这些未用的输入继电器作为它用。
2.输出继电器位于PLC存储器的输出过程映像寄存器（Process-Image Outout Register）区，都有一个PLC上的物理输出端子与之对应。当通过程序使得输出继电器线圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触电闭合，常闭触电断开。这些内部的触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。
在每个扫描周期的输入采样、程序执行等阶段，并不把输出结果信号直接送到输出继电器，而只是输出映像寄存器；只有在每个扫描周期的最后阶段才将输出映像寄存器中的结果同时送到输出锁存器，对输出点进行刷新。实际输出点数不能超过PLC所提供的具有外部接线端子的输入继电器的数量，未用的输出映像寄存器可做它用；但为了程序的清晰和规范，建议不使用这些未用的输出继电器。
3.通用辅助继电器（或中间继电器）位PLC存储器的位存储器（Bit Memory Area）区，其作用和继电器接触器控制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有外部的输入端子或输出端子与之对应，因此它不能受外部信号的直接控制，其触点也不能直接驱动外部负载。这是它与输入继电器和输出继电器的主要区别。它主要用来在程序设计中处理逻辑控制任务。
4.变量存储器（Variable Memory）用来存储变量的值，他可以存放程序执行过程中的控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。这些数据或值可以是数值，也可以是“1”或“0”这样的位逻辑值。在进行数据处理时或使用大量的存储单元逻辑时，变量存储器会经常使用。
5.定时器(Timer)是可编程序控制器中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制，灵活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序。
定时器的工作过程与继电接触控制系统的时间继电器基本相同，但他没有瞬动触点。使用时要提前输入时间预设值，当定时器的输入条件满足时开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作。利用定时器的触点就可以完成所需要的定时控制任务。
第4章电机和传感器选择
4.1电机选择
步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱动器参数如下表4-1、表4-2、表4-3、表4-4所示。PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图4-2所示。步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图4-2中1.5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效。PLC通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当PLC输出线圈得电主要
参考文献
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