机械手控制系统设计毕业论文.doc

机械手控制系统设计毕业论文目录1绪论11.1选题背景及意义11.1.1机械手简介11.1.2机械手发展概况及研究现状21.2 PLC的控制系统41.2.1 PLC的概述41.2.2 PLC的优点51.2.3 PLC的应用领域61.3毕业设计（论文）内容72机械手的系统组成82.1工艺过程及控制要求82.1.1工艺过程82.1.2控制要求92.2机械手组成102.3本章小结113方案论证和选择123.1机械手控制方式123.1.1利用单片机实现对机械手的控制123.1.2利用传统继电器实现对机械手的控制123.1.3利用PLC实现对机械手的控制133.2可编程控制器的主要特点133.3驱动系统方案的选择143.4本章小结164系统的硬件设计174.1系统硬件介绍174.1.1限位开关174.1.2电磁阀194.2 CPU选型及I/O分配214.2.1 PLC主机选型214.2.2液压系统224.2.3机械手搬运系统输入和输出点分配表234.3电气接线图244.4其它地址分配264.5本章小结265系统的软件设计275.1系统工作过程275.2主程序（组织块）295.3子程序（逻辑功能块）305.4本章小结346总结35谢辞36结束语37参考文献38附录1ii1绪论工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支，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。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能性和适应性,机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域中有着广阔的发展前景。用机械手可以代替人从事单调重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化,也可代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，从而保证人身安全。1.1选题背景及意义1.1.1机械手简介所谓搬运机械手，就是将机械手安装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有几乎很大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械手，因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战性。近年来，对搬运机械手的控制策略、运动规划等方面的研究已越来越受到国内外的重视，并已经取得了一些很有价值的研究成果。我国在这方面起步较晚，研究多集中在理论方面。因此，设计制造一个实际的搬运机械手平台，无论在理论上还是实践上都是非常有意义的1。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。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、单调重复的劳动，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。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2。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、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，相应的发展通用机械手，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、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以根据不同的作业要求选择不同类型的加紧机构，即可组成不同用途的机械手,既便于设计制造，又便于更换工件，扩大应用范围，同时也可提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用3。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、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作4。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手,使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作出相应的变更。如位置发生稍许偏差时，则能自行检测并进行改正。现在重点是研究视觉功能和触觉功能，目前已经取得一定成绩。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）以及微型计算机，工作过程是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作5。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6。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实现的，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7。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8。1.1.2机械手发展概况及研究现状a. 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9 。 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。5060年代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。6070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，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10。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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10数字识别能力，改进的方向主要是降低成本和提高精度；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控制，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11。b.研究现状：1）应用广泛性。机械手作为一种按人类意识进行操作替代人手的工具，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域，从事目标搬移（如：搬移机械手、选择夹持机械手、运输机械手、挖掘机等）、精确定位（医疗机械手辅助手术、电子元器件机插设备、打印设备、数控加工中心等）、模拟（残疾人假肢）等工作12。2）结构多样性。机械手因其模拟人类手部的工作模式而命名，并非其形状像手。在应用的各领域、各工作层面中，机械手的形状各异，不受到任何标准形状的制约，为实用、抽象的结构体，发挥着其独有的高效作用13。3）智能性。借助传感器反馈系统，将机械手工作时的动态信息及时的反馈回中央处理单元，进行动作的实时控制。即使被操作目标的表面形状和位置存在差异，机械手都能借助检测反馈信息，自动的判断夹持位置（定位位置），智能的把目标送入下一工作环节。在生产车间中运用该机械手，可实现无人化生产，构建无人车间14。1.2 PLC的控制系统1.2.1 PLC的概述可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计15。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构16。PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求，具有高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程17。世界上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称18。PLC实质上是一种专门用于工业控制的计算机，它的硬件结构与微型计算机基本上是一样的，其组成构件有：电源：PLC的电源为整个系统提供工作电源，保证PLC各模块的集成电路能够正常工作，它在整个系统中有着非常重要的作用19。中央处理单元(CPU)：CPU是PLC的控制中枢和核心部分，每套PLC至少有一个CPU，其主要工作是进行逻辑和数学运算，对整个系统进行控制，起到协调工作的重要作用20。存储器：存储器可分为系统程序存储器和用户程序存储器，主要是用来存放系统的监控程序、用户程序、逻辑变量以及其他相关信息21。输入输出接口电路(I/O模块)：I/O模块是PLC与现场设备输入输出的接口电路连接通道。在工作时，可以按照I/O的点数来确定模块的规格及数量，但其最大数仍受限于PLC系统底板或机架的槽数22。1.2.2 PLC的优点1）可靠性高，抗干扰能力强可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低23。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也能获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不足为怪了24。2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC（Computer number control）等各种工业控制中，加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易25。3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门26。4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能，这很适合多品种、小批量的生产场合27。5） 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备28。1.2.3 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29。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30。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31。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32。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33。1.3毕业设计（论文）内容本设计是基于PLC的机械手控制系统的设计，该系统主要用PLC实现机械手自动和手动搬运工件的系统设计。其工作过程为：首先，由传送带将工件传送到工作台上，机械手开始下降，然后夹紧工件准备上升，上升到位后机械手向右移动，右移到位后准备下降，最后下降到位后机械手放松工件。通过上述介绍，其章节内容安排为：第一章绪论介绍机械手的含义、意义、发展过程及研究现状，接着介绍PLC的概念、优点及应用领域；第二章机械手的系统组成，首先是机械手的工艺过程、控制要求，然后介绍机械手的组成系统；第三章方案论证和选择，首先介绍一下机械手的控制方法，通过对比得出PLC控制较优，紧接着介绍PLC的特点；最后介绍驱动系统方案，通过对比选择液压驱动系统；第四章系统的硬件设计，首先对限位开关、电磁阀、驱动系统、CPU等进行介绍，然后进行选择，接着画出系统输入输出I/O分配表及电气接线图；第五章系统的软件设计，通过系统的工作过程画出系统的工作过程流程图，然后编写主程序与子程序，最后对程序进行模拟调试；第六章对整个设计过程进行总结。392机械手的系统组成2.1工艺过程及控制要求2.1.1工艺过程图2-1所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作台，当传送带把工件传送过来时，由工作台上检测限位开关是否闭合来说明工作台上的工件是否到位。机械手通常位于原点，它的动作全部由液压驱动，而液压是由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别有两位四通电磁阀控制，放松/夹紧由一个两位两通电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。左移右移 下 降 上 升夹紧放松AB图2-1机械手工艺流程图工艺过程为：当传送带把工件传送过来时，由工作台上的限位开关闭合来说明左工作台上的工件到位，机械手开始由原点下降，下降到底时，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件。为保证工件可靠夹紧，在该位置等待5s。夹紧后，上升电磁阀通电开始上升，上升到顶碰到上限位开关，停止上升，改为右移动，碰到右限位开关后，停止右移，改为下降至碰到下限位开关后，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在右工作台上，为确保可靠松开，在该位置停留5s，然后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手搬运一个工件的全过程结束。机械手在完成上述这些动作时，主要是采用液压系统来驱动，先通过S7-200系列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。2.1.2控制要求机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制（又称单周期控制），以便对设备进行调整和检修。下图2-2是机械手控制系统的逻辑流程图。机械手搬运工件的一个周期可分为以下八个部分。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位、左位。(1)机械手下降：当有检测功能的限位开关闭合说明工作台A上工件到位，机械手开始下降，下降到低位时，碰到下限位开关，机械手停止下降。(2)夹紧工件: 机械手在最低位开始夹紧工件，延时5s抓住，抓紧。(3)机械手上升：机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。(4)机械手右移：机械手右移到位时，碰到右限位开关，停止右移。(5)机械手下降：当机械手下降到B时，碰到下限位开关时，机械手停止下降。(6)放开工件：机械手在最低位开始放松工件，延时5s放松，松开。(7)机械手上升：机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。(8)机械手左移：机械手在高位开始左移，碰到左限位开关，停止左移。机械手工作的一个周期完成，等待工件在工作台A上出现再转到第一步，开始下一个工作循环。夹紧上升低位高位右移延时到位下降工件启动左位停止高位上升左移延时放松下降低位图2-2机械手控制系统逻辑流程图2.2机械手组成由工艺过程和控制要求可知，机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各系统相互之间关系如下方框图2-3所示：执行机构控制系统驱动系统机械手动作位置检测机构图2-3机械手的组成方框图其中控制系统一般由电气控制，本设计中控制系统采用PLC编程控制，它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运行，并记忆人们给予机械手的指令信息，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号；执行机构为电磁阀，即由PLC编程控制的部分，从而控制驱动系统；机械手的驱动系统是驱动机械手动作的传动装置，常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式，本设计中采用液压传动；位置检测机构控制PLC程序的触点闭合，进而控制机械手的运动位置，并随时将机械手动作的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后控制系统的运行，从而使机械手以一定的精度达到设定位置，本设计用限位开关的断开与闭合来控制机械手的动作。2.3本章小结本章首先简述机械手的工艺要求和控制要求，然后介绍了机械手的组成系统，最后写了各组成部分的联系，为以下各章节的内容做铺垫。3方案论证和选择3.1机械手控制方式3.1.1利用单片机实现对机械手的控制单片机是计算机的一种，只不过单片机把CPU、RAM、ROM、I/O接口等部分集成在了一片独立的IC芯片当中。用户只需对单片机进行简单的外围电路的扩展就能组成一个简单的单片机控制系统。单片机与PLC相比具有价格低廉、使用灵活等优点，但如果普通的用户想使用单片机进行系统扩展，首先要掌握这种单片机的内部结构和这种单片机的指令系统，除此以外还要掌握与计算机接口相关的专业知识。这些对于那些普通用户来说几乎是不可能实现的事情；从控制系统的研发角度来看，单片机系统的设计要综合考虑硬件控制系统和软件控制系统，设计制作出单片机控制系统的硬件，将调试好的系统程序固化以后再进行系统的整体调试，极大的延长了研发周期。总之，由单片机设计的系统虽然在智能控制方面有较强的功能，但都有一个共性就是抗干扰性差,系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，因为机械手一般都用在干扰源比较多、情况比较复杂的工业现场,所以由单片机设计的系统很难保证长期稳定的工作。所以不宜选用此方案。3.1.2利用传统继电器实现对机械手的控制在20世纪之前，工业控制设备的主流产品是以继电器、接触器为主体的控制装置。在20世纪中后期这种继电器控制装置应用较为广泛，但随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器电路构成的工业控制系统的缺陷不断的暴露出来：首先是可靠性低。复杂的系统使用了成千上万个各式各样的继电器，成千上万根导线连接，只要其中的一个继电器失效或一根导线连接故障，系统就不能正常的工作，大大的降低控制系统的可靠性；其次是系统的维护和改造十分困难。由于系统复杂，虽然有该控制系统接线图但为了找出故障所在也只能一项一项的测试查找，使得设备维护困难，如果进行控制系统改造，改变继电器控制系统接线进一步导致工作量剧增；最后是继电器控制电路设计周期长，功能有限。复杂继电器控制系统设计时大多采用经验设计方法，在设计中要尽量减少中间继电器的数目来减少系统的成本和功耗，系统设计出来以后要制作模型进行控制系统的调试，经多次调试通过以后才能交付用户使用，并且在继电器控制系统中的准确定时、高速计数和模拟信号采集等问题都不易解决。正因为继电器控制系统的种种缺陷，使得控制系统的使用范围越来越狭窄，逐步被其他控制系统所取代。此控制系统可利用四个传统继电器作为限位开关，并加上辅助电路以实现机械手的功能。但是由于传统继电器触点接触不良容易出现故障，即故障率高，控制不灵活及功率消耗大，并且接线复杂抗干扰能力差，难以实现模块化和智能化，性价比较低。所以这种控制方式已经逐渐被淘汰，显然此控制系统不能选用此方案。3.1.3利用PLC实现对机械手的控制 我们考虑控制系统控制逻辑部分采用哪一种控制系统，要从控制系统的可靠性要求、系统研发周期要求和系统应用对象三方面综合考虑。首先要考虑该控制系统的可靠性要求，可靠性要求严格的控制系统必须采用PLC设计。如电梯控制系统等，普通的单片机控制系统或许能从功能上满足电梯控制系统的功能需求，但普通单片机控制系统的可靠性不如PLC的可靠性高，而可靠性是衡量设备能否正常工作的能力的重要指标，可靠性要求不高的控制系统可以采用单片机控制系统来设计，只有在非常简单的控制系统当中，我们才考虑采用继电器控制。其次从系统应用对象来看，控制系统价格较高的系统，我们可以优先考虑采用PLC控制系统，如数控机床刀库控制系统。如果控制系统的控制对象整体成本价值较低则采用单片机控制系统，如遥控汽车等玩具、全自动洗衣机或家用电器等通常采用带A/D转换的8位PIC系列单片机和68系列单片机。最后从研发周期来看，采用PLC设计系统相当于单片机控制系统设计省去了单片机控制系统硬件电路板的设计，缩短了控制系统的设计时间。PLC单元控制程序可以用梯形图编写，并能实现在线仿真，从而进一步的缩短了控制系统程序调试的周期。综上所述，我们可以看到PLC控制系统同其他控制系统相比，简单易学，可靠性高，灵活方便，抗干扰能力强，设计周期短，易于维护。PLC以其特有的优势必将在工业控制领域拥有更广阔的应用前景。3.2可编程控制器的主要特点a.高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软件、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。b.丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、 强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。c.采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 d.编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，就很容易被一般工程技术人员指导所理解和掌握。e.安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。3.3驱动系统方案的选择一般情况下机械手驱动系统的选择按照动力源分为液压、气压和电动三大类，根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。目前广泛采用的驱动系统方案的特性、输出功率和使用方案、控制性能和安全性、结构性能、安装和维护要求、效率和制造成本比较如下表3-1所示：特性输出功率和使用范围控制性能和安全性结构性能安装和维护要求效率和制造成本气压驱动气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大，只适用于小型、快速驱动压缩性大，对速度、位置精确控制困难，阻尼效果差，低速不易控制，排气有噪音结构体积较大，结构易于标准化，易实现直接驱动，密封问题不突出安装要求不高，能在恶劣环境种工作，维护方便效率低，为0.150.2气源方便，结构简单，成本低液压驱动油压高，可获得较大的输出功率，适用于重型、低速驱动液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无级调速、能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏对环境污染结构较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要安装要求高（防泄漏），要配置液压元设备，安装面积大，维护要求较高效率中等为0.30.6，管路结构较复杂，成本高交直流普通电动机适用于抓其重量较大而速度低的中、重型机器人的驱动，输出力较大控制性能差，惯性大，不易精确定位，对环境无影响电动机驱动以实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便成本低效率为0.5左右步进、伺服电动机步进电动机输出力较小、伺服电机可大一些，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响体积小，需减速装置维修使用较复杂成本较高效率为0.5左右表3-1驱动系统方案比较综合考虑以上驱动系统的优缺点以及工作要求，选择液压驱动系统作为本设计的驱动系统。其图片如下图3-2所示：图3-2液压驱动系统3.4本章小结本章首先介绍机械手的控制方案，然后写出各控制方案优缺点，最后经比较后得出最佳方案，即用PLC进行控制，接着介绍可编程控制器PLC的特点，最后叙述了各驱动系统方案，根据本设计要求选择液压驱动系统。4系统的硬件设计4.1系统硬件介绍4.1.1限位开关限位开关又称行程开关，可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和电机。它是一种常用的小电流主令电器，利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中，限位开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。其构造由操作头、触点系统和外壳组成。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式的。 接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。 非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。限位开关用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将限位开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，限位开关的触点动作，实现电路的切换。因此，限位开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。限位开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。常用限位开关如图4-1所示，其电气原理图a)及图片c)、d)也如下所示： （a)电气原理图 c) 台湾常用限位开关 d)美国凸轮限位开关图4-1常见限位开关及原理图根据接触方式和电路信号需求，本设计中应选择接近式常开触点限位开关。此限位开关主要用来控制机械手在运动过程中的停止时刻和停止位置，在机械手控制系统中共用了5个限位开关，即高限位开关，低限位开关、左限位开关、右限位开关、工件到位检测限位开关。1） 高限位开关 高限位开关用于控制机械手上升时的位置。在机械手工作台上方的适当位置上安装好限位开关，然后当机械手上升到可以接触到高限位开关时，PLC就控制机械手停止上升。2） 低限位开关 低限位开关用于控制机械手下降时的位置。在机械手工作台下方的适当位置上安装好限位开关，然后当机械手下降到可以接触到低限位开关时，PLC就控制机械手停止下降。3） 左限位开关 左限位开关用于控制机械手左移时的位置。在机械手工作台左方的适当位置上安装好限位开关，然后当机械手左移到可以接触到左限位开关时，PLC就控制机械手停止左移。4） 右限位开关 右限位开关用于控制机械手右移时的位置。在机械手工作台右方的适当位置上安装好限位开关，然后当机械手右移到可以接触到右限位开关时，PLC就控制机械手停止右移。5） 工件到位检测 此限位开关用于控制机械手开始从原点下降的时刻。在机械手的工作台的适当位置上安装好限位开关，然后当传送带传送工件到位接触到此限位开关时，PLC就控制机械手开始下降。4.1.2电磁阀电磁阀（Electromagnetic valve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其它的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。1、 工作原理电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。二、主要分类电磁阀从原理上分为三大类：1）直动式电磁阀原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。2）分步直动式电磁阀原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点：在零压差或真空、高压时也能可靠动作，但功率较大，要求必须水平安装。3）先导式电磁阀原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速在腔室关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。3、 选型依据1） 电气选择：电压规格应尽量优先选用DC24V较为方便；2）根据持续工作时间长短应选择常开型；3）根据压力参数（最低工作压差在0.04Mpa以上）时选择先导式电磁阀；4）在控制精度要求和参数要求时需选用两位电磁阀。总之，电磁阀选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次是根据几个方面的现场工况（压力参数、电气参数、特殊要求等进行选择）。在本设计中应选用两位两通和两位四通的先导式电磁阀。其电磁阀的图片如下图4-2所示：图4-2电磁阀在机械手控制系统中，根据机械手不同的动作，主要有上升电磁阀、下降电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、夹紧电磁阀等。1） 上升电磁阀控制液压驱动机械手做上升运动。2） 下降电磁阀控制液压驱动机械手做下降运动。3） 左移电磁阀控制液压驱动机械手做左移运动。4） 右移电磁阀控制液压驱动机械手做右移运动。5） 夹紧电磁阀控制液压驱动机械手做夹紧/放松运动。4.2 CPU选型及I/O分配4.2.1 PLC主机选型根据被控对象的要求，将与PLC相连的全部输入、输出器件根据所需的电压、电流的大小、种类分别列表统计，考虑将来发展的需要再相应增加10%-15%的余量，估算PLC所需I/O总点数，I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的依据。根据输入、输出设备的类型和数量，确定了PLC的I/O点数，然后选择相应点数的PLC机型。本论文首先应明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，再通过PLC的类型、输入输出模块的选择 、电源的选择、存储器的选择、冗余功能的选择和高性能价格比，再根据本课题I/O的点数，输入为16个和输出为6个，考虑到将来发展的需要选I/O端子数多的PLC,故选择德国西门子公司的S7-200PLCCPU226。S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业和各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列的出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力及丰富的扩展模块等。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。适用范围从替代继电器的简单控制到复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动控制。所以本毕业设计机械手控制系统的PLC选用西门子S7-200类型。在西门子S7-200系列PLC中有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等。西门子CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。它有13K字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高数计数器，2路独立的20kHz高数脉冲输出，具有PID控制器，2个RS485通讯编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。再考虑冗余的设计要求，I/O点需要10%的冗余量。常见S7-200PLCCPU226如下图4-3所示。图4-3 S7-200PLCCPU2264.2.2液压系统图4-4(a)中，液压泵3由电动机带动旋转，从油箱1中吸油。油液经过过滤器2过滤后流往液压泵，经泵向系统输送。来自液压泵的压力油经节流阀5和换向阀6进入液压缸7的左腔，推动活塞连同机械手向右移动。这时，液压缸右腔的油通过换向阀经回油管排回油箱。同理，如果将换向阀手柄扳到左边位置，则压力油经换向阀进入液压缸的右腔，推动活塞连同机械手向左移动,同理图（b)向下移动，图（c)处于夹紧状态。液压系统主要有以下几个部分组成：（1） 动力元件：一般最常见的是液压泵。它的功能是将原动机输入的机械能转换为流体的压力能，以驱动执行元件运动。（2） 执行元件：一般指做直线运动的液压缸。它的功能是将流体的压力能转换为机械能，以驱动工作部件。（3） 控制元件：指各种阀类元件，它们的作用是控制和调节液压系统中流体的压力、流量和流动方向，以保证工作机构完成预定的工作运动。（4） 辅助元件：指除以上三种以外的其他装置，如油箱、滤油器、分水滤气器、油雾器、蓄能器等，其作用是提供必要的条件，使系统得以正常工作和便于监测控制。（5） 传动介质：即液压油，其作用是实现运动和动力的传递。上下移动夹紧/放松7左右移动65（a)（c)（b)43211-油箱；2-过滤器；3-液压泵；4-溢流阀；5-节流阀；6-换向阀；7-液压缸图4-4液压系统4.2.3机械手搬运系统输入和输出点分配表系统输入信号有4个启动按钮，2个停止按钮，4个限位开关，5个手动输入信号，1个有工件检测信号，共计16个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号左移/右移驱动信号和机械手夹紧驱动信号及液压驱动信号，共有6个数字量输出信号。其输入和输出点分配表4-5如下所示：表4-5系统的I/O 分配表输入设备输入点编号输出设备输出点编号自动启动按钮（SB1）I0.0下降电磁阀Q0.0单动启动按钮（SB2）I0.1上升电磁