机械手控制装置说明书

南通职业大学 2008 届毕业设计 1 目录目录 摘要 Abstract 第一章 绪论 1 1 本课题的意义 3 1 2 本文的主要工作 3 1 3 选择设计方案 3 第二章 PLC 的概述 4 2 1 PLC 的基本知识 4 2 2 PLC 的应用与前景 5 第三章 PLC 的编程语言 7 3 1 梯形图编程语言 7 3 2 功能块图编程语言 8 3 3 西门子 S7 200 的编程语言 第四章 PLC 控制机械手的设计 9 4 1 各电器设备的制方式及控制要求 10 4 2 电器元件设备的选择 12 4 3 控制系统的软 硬件设计 13 第五章 设计小结 33 第六章 谢辞 34 参考文献 35 南通职业大学 2008 届毕业设计 2 摘要摘要 在工业生产和其他领域内 由于工作的需要 人们经常受到高温 腐蚀及有毒气体等因素的危害 增加了工人的劳动强度 甚至于危机生命 机械手就在这样诞生了 机械手是工业机器人系统中传 统的任务执行机构 是机器人的关键部件之一 机械手的机械结构采用滚珠丝杆 滑杆 气缸等 机械器件组成 电气方面有步进电机 驱动模块 传感器 开关电源 电磁阀 等电子器件组成 该装置涵盖了可编程控制技术 位置控制技术 气动技术 检测技术等 是机电一体化的典型代 表仪器之一 本文介绍的机械手是由PLC输出两路脉冲 分别驱动横轴 竖轴步进电机驱动器 控 制机械手横轴和竖轴的精确定位 微动开关将位置信号传给PLC主机 直流电机拖动手爪和底盘旋 转 位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给PLC主机 电磁阀控制气开阀的开关来控制机械手手爪 的张合 从而实现机械手精确运动的功能 本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体 动作灵活多样 可代替人工在高温和危险的作业区进行作业 并可根据工件的变化及运动流程的 要求随时更改相关参数 本文以日本三菱系列PLC为基础 介绍PLC在机械手步进控制中应用 并 给出了详细的程序设计过程 该程序已在工业机械手中获得了应用 具有稳定 可靠的性能 可 供同类设计参考 关键词 可编程控制器PLC 机械手 脉冲 步进电机驱动器 步进电机 直流电机 传 感器 限位开关 In terms of industrial production and other fields as a result of the needs it has often been the heat corrosive and toxic gas hazards and other factors the increase in labor intensity and even life crisis Manipulator in the birth of such a manipulator industrial robot systems traditional mandate Robot is one of the key components Manipulator using the mechanical structure of screw ball slider and other mechanical devices cylinder components Electrical connection is stepping motor Driver module sensors switching power supply solenoids electronic devices and other components The device covers a programmable control technology position control technology pneumatic technology detection technology Mechatronics is a typical representative of one of the machines This paper describes the manipulator by the PLC two pulse output were driving horizontal vertical axis stepper motor actuators control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision micro switch position signal will 南通职业大学 2008 届毕业设计 3 pass PLC mainframes DC Motor Drive and chassis gripper rotating position signal from the rotary encoder and nearly PLC switch back to the main machine solenoid valve control of the gas valve opening switches to control the manipulator gripper Zhang thus achieving accurate manipulator movement functions The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects movements flexible diverse In place of artificial heat and dangerous operation conducted operations According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters Based on Japan s Mitsubishi PLC based on the manipulator PLC stepper control applications and gives a detailed program design process The procedure has been in the hands of industrial machinery access to the application with stable reliable performance for a similar design Keywords PLC manipulator Pulse Stepper motor actuator Stepper motor Motor sensors will limit switch 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 本课题的意义本课题的意义 南通职业大学 2008 届毕业设计 4 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术 并已成为现代科技的一个重要 组成部分 汽车业的快速发展 车外型愈求美观流线 并由于汽车外板件要求完美无 尘的冲压生产线也向高速化 高品质 自动化 柔性化方向发展 传统冲压生产过程 中的手工操作 人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要 机械手的积极作 用正日益为人们所认识 其一 它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求 遵循一定的程序 时间和位置来完成工件的传送 因此 它能大大地改善工人的劳动 条件 加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 因此 受到各先进单位的重视并投 入了大量的人力物力加以研究和应用 尤其在高温 高压 粉尘 噪声的场合 应用 得更为广泛 在我国 近代几年来也有较快的发展 并取得一定的成果 受到各工业 部门的重视 1 21 2 本文主要做的工作本文主要做的工作 1 问题提出 PLC 控制的机械手最主要是应用于自动化生产中 如何综合地运用前面学过知识点 根据实际工程要求合理组合成控制系统 在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般 方法 2 系统设计的主要内容 1 拟定控制系统设计的技术条件 技术条件一般以设计任务书的形式来确定 它 是整个设计的依据 2 选择电气传动形式和电动机 电磁阀等执行机构 3 选定 PLC 的型号 4 编制 PLC 的输入 输出分配表或绘制输入 输出端子接线图 5 根 据系统设计的要求编写软件规格说明书 然后再用相应的编程语言 常用梯形图 进 行程序设计 1 3 选择设计方案选择设计方案 西门子的优点西门子的优点 SIMATIC S7 200 系列 PLC 是西门子公司生产的具有高性价比的小型可编程序控制 器 由于它具有结构小巧 可靠性高 运行速度快等特点 在许多行业中得到了广泛 的应用 S7 200 已有两代产品 第一代 CPU 模块为 CPU21X 配有 4 种类型主机 它 们的 CPU 是 CPU212 214 215 216 第二代 CPU 模块为 CPU22X 也有 4 种类型主机 南通职业大学 2008 届毕业设计 5 它们的 CPU 是 CPU221 222 224 226 不同类型的 CPU 具有不同的技术特征 S7 200 PLC 的最大优点在于其灵活性及多功能性 灵活性是指其结构配置灵活 可根据控制 任务配置大小 功能不同的扩展系统 使其使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制 到更复杂的中小控制系统 应用领域广泛 多功能性一方面指它使用 STEP7 Micro Win32 提供不同的编程语言和丰富的指令集 可以充分利用这些指令编写解决 复杂任务的程序 另一方面它具有丰富的通信功能 使用户很容易地进行组网 其通 信和实时性方面的优点 使它成为解决复杂自动化方案的理想控制设备 西门子公司的 SIMATIC S7 200 系列属于小型可编程序控制器 可用于代替继电器 的简单控制场合 也可以用于复杂的自动化控制系统 S7 200 系列 PLC 共有 5 种基本 型号的 CPU 模块 即 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 控制点 数可以从 10 点扩展到 248 点 其中 CPU221 无扩展功能 适于用做小点数的微型控 制器 CPU222 有扩展功能 CPU224 是具有较强控制功能的控制器 CPU226 和 CPU226 XM 适用于复杂的中小型控制系统 所有型号的 CPU 在内部都集成了 1 个 CPU221 CPU222 CPU224 或 2 个 CPU226 CPU226XM 通讯口 该通讯口为标 准的 RS485 口 可在三种方式下工作 即 PPI 方式 MPI 方式和自由通讯口方式 另 外 S7 200 可通过增加 EM277 模块接入 Profibus DP 网络 通过 CP243 1 通讯模块连 入工业以太网 通过 CP243 2 模块使其成为 AS i 主站 第二章第二章 PLC 的概述的概述 2 1 PLC 基本知识基本知识 在自动化控制领域 PLC 是一种重要的控制设备 目前 世界上有 200 多厂家生产 30 0 多品种 PLC 产品 应用在汽车 23 粮食加工 16 4 化学 制药 14 6 金属 矿山 11 5 纸浆 造纸 11 3 等行业 为了使各位初学者更方便地了解 P LC 本文对 PLC 的发展 基本结构 配置 应用等基本知识作一简介 以期对各位 网友有所帮助 1 PLC 的发展历程 在工业生产过程中 大量的开关量顺序控制 它按照逻辑条件进行顺序动作 并 按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制 及大量离散量的数据采集 传统上 这些功 能是通过气动或电气控制系统来实现的 1968 年美国 GM 通用汽车 公司提出取代 继电气控制装置的要求 第二年 美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的 南通职业大学 2008 届毕业设计 6 控制装置 首次采用程序化的手段应用于电气控制 这就是第一代可编程序控制器 称 Programmable Controller PC 个人计算机 简称 PC 发展起来后 为了方便 也为了反映可编程控制器的功能 特点 可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller PLC 现在 仍常常 将 PLC 简称 PC PLC 的定义有许多种 国际电工委员会 IEC 对 PLC 的定义是 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 存贮器 用来在其内部存贮执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作 的指令 并通过数字的 模拟的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编 程序控制器及其有关设备 都应按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功 能的原则设计 PLC 于 60 年代末期在美国首先出现 目的是用来取代继电器 执行逻辑 计 时 计数等顺序控制功能 建立柔性程序控制系统 1976 年正式命名 并给予定义 PLC 是一种数字控制专用电子计算机 它使用了可编程序存储器储存指令 执行诸如 逻辑 顺序 计时 计数与演算等功能 并通过模拟和数字输入 输出等组件 控制 各种机械或工作程序 经过 30 多年的发展 PLC 已十分成熟与完善 并开发了模拟 量闭环控制功能 PLC 在 FCS 系统中的地位似乎已被确定并无多少争论 PLC 作为一 个站挂在高速总线上 充分发挥 PLC 在处理开关量方面的优势 另外 火力发电厂辅 助车间 例如补给水处理车间 循环水车间 除灰除渣车间 输煤车间等 在这些车 间的工艺过程多以顺序控制为主 PLC 对于顺序控制有其独特的优势 编者以为 辅 助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的 PLC 或能与 FCS 进行通讯交换信息 的 PLC 为优选对象 上世纪 80 年代至 90 年代中期 是 PLC 发展最快的时期 年增长率一直保持为 30 40 在这时期 PLC 在处理模拟量能力 数字运算能力 人机接口能力和网络能 力得到大幅度提高 PLC 逐渐进入过程控制领域 在某些应用上取代了在过程控制领 域处于统治地位的 DCS 系统 PLC 具有通用性强 使用方便 适应面广 可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 等特点 PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位 在可预见的将来 是无法 取代的 南通职业大学 2008 届毕业设计 7 二 PLC 的构成 从结构上分 PLC 分为固定式和组合式 模块式 两种 固定式 PLC 包括 CPU 板 I O 板 显示面板 内存块 电源等 这些元素组合成一个不可拆卸的整体 模 块式 PLC 包括 CPU 模块 I O 模块 内存 电源模块 底板或机架 这些模块可以按 照一定规则组合配置 三 CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心 起神经中枢的作用 每套 PLC 至少有一个 CPU 它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据 用扫描的方式采集由现场输入装 置送来的状态或数据 并存入规定的寄存器中 同时 诊断电源和 PLC 内部电路的工 作状态和编程过程中的语法错误等 进入运行后 从用户程序存贮器中逐条读取指令 经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号 去指挥有关的控制电路 CPU 主要由运算器 控制器 寄存器及实现它们之间联系的数据 控制及状态总 线构成 CPU 单元还包括外围芯片 总线接口及有关电路 内存主要用于存储程序及 数据 是 PLC 不可缺少的组成单元 在使用者看来 不必要详细分析 CPU 的内部电路 但对各部分的工作机制还是应 有足够的理解 CPU 的控制器控制 CPU 工作 由它读取指令 解释指令及执行指令 但工作节奏由震荡信号控制 运算器用于进行数字或逻辑运算 在控制器指挥下工作 寄存器参与运算 并存储运算的中间结果 它也是在控制器指挥下工作 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数 它们决定着 PLC 的工作速度 IO 数量 及软件容量等 因此限制着控制规模 四 I O 模块 PLC 与电气回路的接口 是通过输入输出部分 I O 完成的 I O 模块集成了 PLC 的 I O 电路 其输入暂存器反映输入信号状态 输出点反映输出锁存器状态 输 入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统 输出模块相反 I O 分为开关量输入 DI 开关量输出 DO 模拟量输入 AI 模拟量输出 AO 等模块 开关量是指只有开和关 或 1 和 0 两种状态的信号 模拟量是指连续变化的量 常用的 I O 分类如下 开关量 按电压水平分 有 220VAC 110VAC 24VDC 按隔离方式分 有继 电器隔离和晶体管隔离 南通职业大学 2008 届毕业设计 8 模拟量 按信号类型分 有电流型 4 20mA 0 20mA 电压型 0 10V 0 5V 10 10V 等 按精度分 有 12bit 14bit 16bit 等 除了上述通用 IO 外 还有特殊 IO 模块 如热电阻 热电偶 脉冲等模块 按 I O 点数确定模块规格及数量 I O 模块可多可少 但其最大数受 CPU 所能管 理的基本配置的能力 即受最大的底板或机架槽数限制 五 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源 同时 有的还为输入电路 提供 24V 的工作电源 电源输入类型有 交流电源 220VAC 或 110VAC 直流电源 常用的为 24VAC 六 底板或机架 大多数模块式 PLC 使用底板或机架 其作用是 电气上 实现各模块间的联系 使 CPU 能访问底板上的所有模块 机械上 实现各模块间的连接 使各模块构成一个 整体 七 PLC 系统的其它设备 1 编程设备 编程器是 PLC 开发应用 监测运行 检查维护不可缺少的器件 用于编程 对系统作一些设定 监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况 但它不 直接参与现场控制运行 小编程器 PLC 一般有手持型编程器 目前一般由计算机 运 行编程软件 充当编程器 2 人机界面 最简单的人机界面是指示灯和按钮 目前液晶屏 或触摸屏 式的 一体式操作员终端应用越来越广泛 由计算机 运行组态软件 充当人机界面非常普 及 3 输入输出设备 用于永久性地存储用户数据 如 EPROM EEPROM 写入器 条码阅读器 输入模拟量的电位器 打印机等 八 PLC 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集 传送生产和管理数据 因此 网 络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著 甚至有人提出 网络就是控制器 的 观点说法 PLC 具有通信联网的功能 它使 PLC 与 PLC 之间 PLC 与上位计算机以及其他 智能设备之间能够交换信息 形成一个统一的整体 实现分散集中控制 多数 PLC 具 南通职业大学 2008 届毕业设计 9 有 RS 232 接口 还有一些内置有支持各自通信协议的接口 PLC 的通信 还未实现互操作性 IEC 规定了多种现场总线标准 PLC 各厂家均 有采用 对于一个自动化工程 特别是中大规模控制系统 来讲 选择网络非常重要的 首 先 网络必须是开放的 以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展 其次 针对 不同网络层次的传输性能要求 选择网络的形式 这必须在较深入地了解该网络标准 的协议 机制的前提下进行 再次 综合考虑系统成本 设备兼容性 现场环境适用 性等具体问题 确定不同层次所使用的网络标准 2 2 PLC 的应用与前景的应用与前景 目前 在国内外 PLC 已广泛应用冶金 石油 化工 剪彩 机械制造 电力 汽 车 轻工 环保及文化娱乐等各行各业 随着 PLC 性能价格 的不断提高 器应用领 域不断扩大 从应用类型看大致可归纳为以下几个方面 2 2 1 强量逻辑运算 利用 PLC 最基本的逻辑运算 定时 计收等功能实现逻辑运算 科取代传统的继 电器控制用于单片机控制 多机群控制 生产自动线控制等 例 机床 注塑机印刷 机械 装配生产线 电镀流水线及电梯的控制等 这是 PLC 最基本的应用 也是 PLC 最广泛的应用领域 2 运动控制 大多数 PLC 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 这一功能 广泛用于各种机械设备 例如 各种机床 装配机械 机器人等进行运动控制 3 过程控制 大 中型 PLC 都具有多路模拟量 I O 模块和 PID 控制功能 有的小型 PLC 也具 有模拟量输入输出 所以 PLC 可实现模拟量控制而且具有 PID 控制功能的 PLC 可构 成闭环控制 用于过程控制 这一功能已广泛用于铝炉 反应堆 水处理 酿酒及闭 环位置控制和速度控制等方面 4 数据处理 现代的 PLC 都具有数学运算数据传递 转换 排序和查表等功能 可进行数据的 采集 分析和处理 同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置 例如 CNC 设备进行处理 南通职业大学 2008 届毕业设计 10 5 通信联网 PLC 的通信包括 PLC 与 PLC PLC 与计算机 PLC 与其它智能设备之间的通信 PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元 通信转换单元相连构成网络 已 实现信息的交换和构成 集中管理分散控制的多级分布式控制系统 满足工厂自动化 FA 系统发展的需要 2 2 2 国外 PLC 发展概况 PLC 在问世以来 经过 40 多年的发展 在美 德国等工业发达国家已成为重要 的产业之一 世界总销售额不断上升 生产厂家不断涌现 品种不断翻新 产量产值 大幅度上升而价格则不断下降 目前 世界上有 200 多个厂家生产 PLC 较多的有美 国 AB 通用电气 莫迪康公司 日本 松下 三菱 富士 欧姆龙等 德国 西门 子公司 法国 TE 施耐德公司 韩国 三星 LG 公司等 PLC 的发展前景 1 产品规模向大小两个方向发展 大 I O 点数达 14336 点 32 位微处理器 多 CPU 并行工作 大容量存储器 扫描速度快高速 小 整体结构向小型模块化结构发展 增加了配置的灵活性 降低了成本 2 PLC 在闭环过程中应用日益广泛 3 不断加强通讯功能 4 新器件和模块不断推出 目前 plc 在国内外都已得到了广泛的应用 利用 plc 最基本的逻辑运算 定时 计数等动能进行逻辑控制 可以取代传统的继电器控制系统 广泛用于机床 印刷机 装配生产线 电动流水线及电梯等的控制 较高档次的 plc 具有位置控制模块 得别适用于机床控制 大 中型 plc 具有多 路模拟量输出和 plc 控制 可构成模拟量输出的闭环控制系统 用于过程控制 随着计算机控制技术的发展 国外近几年兴起自动化网络系统 plc 与 plc 之间 plc 与上位机之间连成网络 通过光缆传送信息 构成大型的多级分布式控制系统 集 散控制系统 我国使用较多的 plc 产品德国西门子的 S7 系列 日本 OMRON 公司的 C 系列 三菱公司的 FX 系列 美国 GE 公司的 GE 系列等 各大公司生产的的可编程序控制器 南通职业大学 2008 届毕业设计 11 都形成由小型到大型的系列产品 而且随着技术不断进步 产品更新换代很快 通过 技术引进 合资生产 近年来 我国的 plc 产品有了一定的发展 生产厂家也达 30 多 家 为可编程序控制器国产化奠定了基础 从可便程序控制器的发展来看 有小型化和大型化两个趋势 小型 plc 有两个发 展方向 即小 微 型化和专业化 随着数字电路集成度的提高 元器件体积减小 质量提高 可编程序控制器结构更加紧凑 设计制造水平的功能在不断进步 微型化 的 plc 不仅体积小 功能也大有提高 过去一些大中型 plc 才有的的功能 如模拟量的 处理 通信 PID 调节运算等 均可以被移植到小型机上 同时 plc 的价格不断下降 将真正成为继电 接触器控制系统的替代产品 大型化指的是大型 plc 向着大容量 智能化和网络化发展 使之能与计算机组成 集成控制 对大规模 复杂系统进行综合性的自动控制 第第 3 章章 PLC 的编程语言的编程语言 可编程控制器的编程语言按 IEC61131 3 国际标准来分主要包括图形化编程语言和 文本化编程语言 图形化编程语言包括 梯形图 LD Ladder Diagram 功能块图 FBD Function Block Diagram 顺序功能图 SFC Sequential Function Chart 文本化编程语 言包括 指令表 IL Instruction List 和结构化文本 ST Structured Text 这些语言是基于 WINDOWS 操作系统的编程语言 而 SFC 编程语言则在两类编程语言中均可使用 下 面分别来介绍这几种编程度语言 3 1 梯形图编程语言梯形图编程语言 LD Ladder Diagram 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述 是 PLC 编程中被最广泛使用的一种图 形化语言 由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图 便于理解 因此许多编程人员 和维护人员都选择了这一编程方式 而且其图形结构类似于登高用的梯子 故名梯形 图 梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线 左侧的电力轨线名义上为功率流从 左向右沿着水平梯级通过各个触点 功能 功能块 线圈等提供能量 功率流的终点 是右侧的电力轨线 每一个触点代表了一个布尔变量的状态 每一个线圈代表了一个 实际设备的状态 一个简单的梯形图程序如图 3 1 所示 南通职业大学 2008 届毕业设计 12 图 3 1 梯形图表示的 PLC 程序实例 梯形图的每个梯级表示一个因果关系 事件发生的条件表示在梯形的左面 事件发生的 结果表示在梯级的右面 梯形图编程语言具有如下特点 1 与电气操作原理图相对应 具有直观性和对应性 2 与原有继电器逻辑控制技术相一致 易于掌握和学习 3 对于复杂控制系统描述 仍不够清晰 4 可读性仍不够好 几乎所有 PLC 厂商提供的 PLC 都支持梯形图编程语言 而且都比较容易理解 只是 在梯形图结构上可能稍有变化 比如西门子的 S7 系列梯形图就没有右边的电力轨线 有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略 3 23 2 功能块图编程语言功能块图编程语言 FBD Function FBD Function BlockBlock Diagram Diagram 功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能 不同的功能模块具有不同的 功能 功能模块用矩形来表示 每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端 右侧 有不少于一个的输出端 功能模块的类型名称通常写在块内 其输入输出名称写在块 内的输入输出点对应的地方 功能模块基本上分为两类 基本功能模块和特殊功能模块 基本功能模块如 AND OR XOR 等等 特殊功能模块如 ON 延时 脉冲输出 计数器等等 功能块编程语言具有以下特点 1 以功能模块为单位 从控制功能入手 使控制方案的分析和理解变的容易 2 功能模块用图形化的方式描述功能 较直观易掌握 方便组态 易操作 是有发 南通职业大学 2008 届毕业设计 13 展前途的一种编程语言 3 对较复杂系统 由于控制功能关系能够比较清晰的描述 因此缩短了编程和调试 时间 4 因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间 对功能块的执行需要一定的执行 时间 因此 这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛 3 3 西门子西门子 S7 200 的编程语言的编程语言 不同的商家的 PLC 有不同的编程语言 但就某个商家而言 PLC 的编程语言也就那么 几种 下面 以西门子 PLC 的编程语言为例 说明一下 各种编程语言的异同 1 顺序功能图 SFC Seauential Fuction Chart 这是位于其它编程语言之上的图形语言 用来编程顺序控制的程序 如 机械手 控制程序 编写时 工艺过程被划分为若干个顺序出现的步 每步中包括控制输出的 动作 从一步到另一步的转换由转换条件来控制 特别适合于生产制造过程 西门子 STEP7 中的该编程语言是 S7 Graph 2 梯形图 LAD LAdder Diagram 这是使用使用最多的 PLC 编程语言 因与继电器电路很相似 具有直观易懂的特 点 很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握 特别适合于数字量逻辑控制 梯形图由触点 线圈和用方框表示的指令构成 触点代表逻辑输入条件 线圈 代表逻辑运算结果 常用来控制的指示灯 开关和内部的标志位等 指令框用来表示 定时器 计数器或数学运算等附加指令 在程序中 最左边是主信号流 信号流总是从左向右流动的 不适合于编写大型控制程序 3 语句表 STL STatement List 是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言 由多条语句组成一个程序段 语言表适合于经验丰富的程序员使用 可以实现某些梯形图不能实现的功能 如表 3 3 3 所示 LD I0 1 O Q0 0 AN I0 0 Q0 0 南通职业大学 2008 届毕业设计 14 表 3 3 3 用语句表表示的 PLC 程序实例 4 功能块图 FBD Function Block Diagram 功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑 一些复杂的功能 用指令框表示 适合于有数字电路基础的编程人员使用 功能块图用类似于与门 或 门的框图来表示逻辑运算关系 方框的左侧为逻辑运算的输入变量 右侧为输出变量 输入 输出端的小圆圈表示 非 运算 方框用 导线 连在一起 信号自左向右 图 3 3 4 用功能图表示的 PLC 程序实例 第四章第四章 PLC 控制机械手的设计控制机械手的设计 4 14 1 各电器设备的控制方式及控制要求各电器设备的控制方式及控制要求 1 机械手的技能和特性 根据古典力学观点 物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角 度来决定的 因此 抓握物体的位置和方向 即关节间的角度 能从理论上求得 据 资料介绍 如果采用的机械手 其机能要接近人的上肢 则需要具有 27 个自由度 而 每一个自由度至少要有一根 人造肌肉 这样就需要安装 27 根重量轻 小型和高输 出力的 人造肌肉 就目前的技术状况而言 上述功能还很难办到 而且把机械手的 功能搞得那么复杂 动作彼此严重重叠也是完全不必要的 退一步 如果机械手要求 具有完全通用的程度 那么它的整机 本体 手臂和手指都得有三个直线运动和三个 旋转运动 总共就要有 24 个自由度 这在实际上也是不必要的 这样会使机械手结构 复杂 费用增多 因此 不应盲目模仿人手的动作 增加过渡的自由度 而应根据实 际需要的动作 设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作 所以一般专用的机 械手 不包括握紧动作 通常具有二到三个自由度 而通用机械手一般取四到五个自 由度 本设计中设计的机械手 它共有五个自由度 即 手臂伸缩 手臂上下摆动 手 臂左右摆动 手腕回转 手指抓握 2 躯干和传动系统 机械手的传动分为液压 气压 电气和机械四种 本设计采用综合传动方式 即 南通职业大学 2008 届毕业设计 15 手臂采用电气传动 而手爪则采用气压传动 1 夹紧机构 机械手手爪使用来抓取工件的部件 手爪抓取工件是要满足迅速 灵活 准确和 可靠的要求 设计制造夹紧机构 手爪时 首先要从机械手的坐标形式 运行速度 和加速度的情况来考虑 其加紧力的大小则根据夹持物体的重量 惯性和冲击力的大 小来计算 同时考虑有足够的开口尺寸 以适应被抓物体的尺寸变化 为扩大机械手 的应用范围 还需备有多种抓取机构 以根据需要来更换手爪 为防止损坏被夹的物 体 夹紧力应限制一定的范围内 并镶有软质垫片 弹性衬垫或自动定心结构 为防 止突然停电被抓物体落下 还可以有自锁结构 夹紧机构本身则应结构简单 体积小 重量轻 动作灵活和动作可靠 夹紧机构形式多样 有机械式 吸盘式和电磁式等 有的夹紧机构还带有传感装 置和携带工具进行操作的装置 本设计采用机械式的夹紧机构 机械式夹紧机构是最基本的一种 应用广泛 种类繁多 如按手指运动的方式和 模仿人手的动作 可分为回转型 直进型 按夹持方式可分为内撑式 外撑式和自锁 式 按手指数目可分为二指式 三指式 四指式 按动力来源可分为弹簧式 气动式 液压式等 本设计采用二指式气动手爪 由可编程控制器控制电磁阀动作 从而控制 手爪的张闭 手爪的回转则用一个直流电动机完成 同时通过两个限位磁头完成回转 角度的限位 一般可设置在 180 度 2 躯干 躯干由底盘和手臂两大部分组成 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构 底盘采用一个直流电动机 驱动 底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转 机械手每旋转 3 度发出一个脉冲 由传感 器检测并送入可编程控制器 从而计算底盘旋转的角度 同时 在底盘上装有限位磁 头 最大旋转角度可达 270 度 手臂是机械手的主要部分 它是支撑手爪 工件并使它们运动的机构 本设计中 手臂由横轴和竖轴组成 可完成伸缩 升降的运动 手臂采用步进电动机带动丝杠 螺母来实现伸缩和升降运动 由可编程控制器发出脉冲信号 经步进电动机驱动器驱 动步进电动机旋转 带动滚珠丝杠旋转 完成手臂的运动 改变发出脉冲的个数 可 控制手臂的两个轴运动的距离 同时在两轴的两端分别加限位开关限位 采用丝杠 南通职业大学 2008 届毕业设计 16 螺母结构传动的特点是易于自锁 位置精度较高 传动效率较高 4 2 电器元件 设备的选择电器元件 设备的选择 1 PLC 机型的选择 根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求 可进行 PLC 型号的选定 进行 PLC 选型时 基本原则是满足控制系统的功能需要 同时要兼顾维修 备件 的通用性 对开关量控制的系统 当控制速度要求不高时 一般的 PLC 都可以满足要 求 如对小型泵的顺序控制 单台机械的自动控制等 当控制速度要求较高 输出有 高速脉冲信号等情况时 要考虑输入 输出点的形式 最好采用晶体管形式输出 对带 有部分模拟量控制的 装置等 2输入 输出的点数 I O 点数可以衡量 PLC 规模的大小 准确统计被控对象的输入信号和输出信号的 总点数并考虑今后系统的调整和扩充 在实际统计 I O 点数基础上 一般应加上 10 20 的备用点数 多数小型 PLC 为整体式 具有体积小 价格便宜等优点 适于工艺 过程比较稳定 控制要求比较简单的系统 模块式结构的 PLC 采用主机模块与输入模 块 功能模式块组合使用的方法 比整体式方便灵活 维修更换模块 判断与处理故 障快速方便 适用于工艺变化较多 控制要求复杂的系统 此外 还应考虑用户储存器的容量 PLC 的处理速度是否能满足实时控制的要求 编程器与外围设备的选择等 本设备控制的对象是一个开关量控制的系统 同时利用脉冲控制步进店动机的运 转 故应采用晶体管形式的输出 松下 FPO 系列小型 PLC 具有性价比高 功能完善 指令丰富等优点 能满足本对象各项控制性能要求 因此 本系统采用松下 FPO 系列 的 FPO C16T 作为基本模块 能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制 由于 输入输出点不够 扩展一个 FPO E16RS 模块 3 电源模块的选择 采用 Dm150 系列开关电源 其特点是输出功率大 体积小 重量轻 可靠性高 适应宽范围的输入电压波动 具有完备的过电压 过电流保护功能 主要参数 输入交流电压 110 220V 50Hz 60Hz 输出直流电压 24V 6 5A 南通职业大学 2008 届毕业设计 17 最大功率 156W 工作环境 10 40 度 4 步进电动机的选择 采用二相八拍混合式步进电动机 主要特点 体积小 具有较高的起动和运行频 率 有定位转矩等特点 型号 42BYGH101 快接线插头中的红色表示 A 相 蓝色表示 B 相 使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将 A 相或 B 相两根线对调 1 步进电动机驱动模块 采用中美合资 SH 系列步进电动机驱动器 主要由电源输入部分 信号输入部分 输出分等 如下图所示 电源输入部分由电源模块提供 用两根导线连接 注意极性 信号输入部分 信号源由 FPO 主机提供 由于 FPO 提供的电平为 24V 而输入 部分的电平为 5V 中间加了保护电路 输出部分 与步进电动机连接 注意相序 2 传感 采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用 采用微动开关作为横轴 纵轴 限位检测用 接近开关 接近开关有三根连接线 红 蓝 黑 红色接电源的正极 黑色接电 源的负极 蓝色为输出信号 当与挡块接近时输出电平为低电平 否则为高电平 微动开关 当挡块碰到微动开关动作 常开点闭合 3 FPO 模块 由松下 FPO 系列 PLC 晶体管输出的主机 具有高速运算能力 PID 调节功能 同时可以输出两路脉冲控制两台电动机的优点 输出两路脉冲梯形图及f t 4 直流电动机 采用 36ZY5 12 型直流电动机 输入电压为 12 24V 由 FPO 模块控制电动机正反 转 5 旋转码盘 南通职业大学 2008 届毕业设计 18 机械手每旋转 3 度发出一个脉冲 4 3 控制系统的软 硬件设计控制系统的软 硬件设计 1 控制要求 机械手移动工作动作示意图 所示 机械手需要将工件从工作台 A 移送至工作台 B 上 其动作过程为下降 上升 右移 再下降 再上升 左移 这些动作均由电磁阀控制 液压系统来驱动完成 此外 机械手在夹送工件右行到位后 如果工作台 B 上的工件尚未移走 机械手则 停止运动 待工作台 B 上的工件被运走后 机械手才能下降 2 选择 I O 设备 由机械手执行机构可知 1 输入为 14 个开关量信号 由限位开关 按纽 光电开关组成 2 输出为 6 个开关量信号 右 24V 电液控制 液压驱动线圈和指示灯组成 3 选择 PLC 型号 根据控制要求 PLC 控制系统选用 SIEMENS 公司 S7 200 系列 CPU224 因为 I O 点 数不够 另外选择扩展模块 EM221 3 系统的硬件程序设计 操作时 机械手分为手动操作方式 回原点操作方式 单步操作方式 单周期操作 方式 1 列出工件传送手 PLC 的输入 输出点分配表 见表 4 3 1 输入信号输出信号 名称代号符号名称代号符号 上限位行程开关 ST1I0 0 上升电磁阀 YV1Q0 0 南通职业大学 2008 届毕业设计 19 下限位行程开关 ST2 I0 1 下降电磁阀 YV2Q0 1 左限位行程开关 ST3 I0 2 右转电磁阀 YV3Q0 2 右限位行程开关 ST4I0 3 左转电磁阀 YV4Q0 3 下降点动按钮 SB1I0 4 夹紧电磁阀 YV5Q0 4 上升点动按钮 SB2I0 5 原点知识灯 HLQ0 5 左转点动按钮 SB3I0 6 右转点动按钮 SB4I0 7 手动操作方式选择开关 SA1 1I1 0 回原点操作操作方式选择开关 SA1 2I1 1 单步 点动 操作方式选择开 关 SA1 3I1 2 单周期操作方式选择开关 AS1 4I1 3 自动循环操作方式 SA1 5I1 4 回原点启动按钮 SB5I1 5 全自动启动按钮 SB6I1 6 回原点停止按钮 SB7I1 7 工件检测光电开关 ST5I2 0 夹紧工件点动按钮 SB8I2 1 放松工件点动按钮 SB9I2 2 表 4 3 1 输入 输出点分配表 2 工件传送机械手 PLC 控制接线图 4 3 2 所示 南通职业大学 2008 届毕业设计 20 图 4 3 2 件传送机械手 PLC 控制接线图 4 系统的软件程序设计 工件传送机械手 PLC 自动控制状态流程图如图 4 3 4 所示 工件传送机 PLC 控制总梯形图及指令语句表如图 所示 南通职业大学 2008 届毕业设计 21 图 4 3 4 工件传送机械手 PLC 自动控制状态流程图 程序设计说明 控制系统设有手动 单周期 单步 连续和回原点 5 种工作方式 机械手在最上面和最左面且松开时 称为系统处于原点状态 或称初始状态 左限位 南通职业大学 2008 届毕业设计 22 开关 I0 2 上限位开关 I0 0 的长开触点和表示机械手松开的 Q0 1 的长闭触点的串联电 路接通时 原点条件 存储器位M0 5 接通变为 ON 并接通 Q0 5原点指示灯亮 如果选择的是单周期工作方式 饥饿下启动按钮 I1 6 后 从初始步 M0 0 开始 机 械手按状态流程图的规定完成一个周期的工作后 返回并停留在初始步 如果选择连续工作方式 在初始状态按下启动按钮 I1 6 后 机械手从初始步开始 一个周期一个周期地反复连续工作 当按下停止按钮 I1 7 时 系统并不马上停止工作 而是完成最后一个周期的工作后 系统才返回并停留在初始步 如果选择的是单步工作方式 从初步开始 按一下启动按钮 系统转换到下一步 完成该步的任务后 自动停止工作并停留在初始步 再按一下启动按钮 又往前走一步单步工作方式常用于系统的调试 在选择单周期 连续和单步工作方式之前 系统应处于原点状态 如果不满足这一 条件 则可选择回原点工作方式 然后按回原点按钮 I1 5 使系统自动返回原点状态 在原点状态 流程图中的初始步 M0 0 为 ON 为进入单周期 连续和单步工作方式做 好的准备 1 手动程序与自动程序的切换 在图 4 3 4 1 中 第 1 行逻辑行至第 3 行逻辑手 动程序与自动程序的切换程序 4 3 4 1 手动程序与自动程序梯形图 接通可编 程控制器的电源时 若机械手处于原点状态 M0 5 接通时 SM0 1 接通一格扫描 南通职业大学 2008 届毕业设计 23 周期 M0 0 被置位 为进入单步 但周期和连续工作方式作好了准备 此时 系 统进入自动工作方式 若在图 4 3 4 1 中 如果第 1 逻辑行中的 M0 0 未被置位 也就是说 机械手未 处于原点状态 此时系统不能在单步 但周期 和连续工作方式下工作 系统为手动工作方式 2 手动程序 图 4 3 4 2 中第 4 逻辑行至第 9 逻辑行行为为手动程序 图 4 3 4 2 手动程序梯形图 将转换开关 SA1 扳至单步 点动 方式 I1 2 在第 11 逻辑行常闭触点断开 系 统执行手动程序 当按下夹紧工件点动按钮 SB8 时 I2 1 的常开触点闭合 Q0 1 接通 置位 机械手处于夹紧状态 当按下放松工件点动按钮 SB9 时 I2 2 的常开触点闭合 Q0 1 被复位 机械手处于放松状态 当按下上升点动按钮 SB2 时 I0 35 的常开触点 闭合 Q0 2 接通 机械手处于上升状态 当按下下降点动按钮 SB1 时 I0 4 的常开触 点闭合 Q0 0 接通 机械手处于下降状态 当按下左移点动按钮 SB3 时 I0 6 的常开 触点闭合 Q0 4 接通 机械手处于左移状态 当按下右移点动按钮 SB4 时 I0 5 的常 开触点闭合 Q0 3 接通 机械手处于右移状态 3 自动程序 在图 4 3 4 3 中 第 10 逻辑行至第 20 逻辑行为不包括自动返回原点 的自动控制程序 当把选择开关扳向自动位置时 I1 4 的常开触点闭合 此时系统进 入补包括自动返回原点的自动控制程序 南通职业大学 2008 届毕业设计 24 图 4 3 4 3 自动程序梯形图 南通职业大学 2008 届毕业设计 25 第 10 逻辑行中 按下启动按