【基于PLC控制系统设计17000字（论文）】

基于PLC控制系统设计TOC\o"1-3"\h\u35331引言 1246661.1设计背景 1300631.2设计意义 3100281.2.1能提高生产过程的自动化程度 3147061.2.2可以改善工作条件，避免人身事故 3237721.2.3可以减少人力，方便节奏性生产 3127652PLC的选型与机械手的组成 5192752.1PLC的基本概念 5294712.1.1PLC的基本结构 599782.1.2中央处理器CPU 6128882.1.3存储区 6247342.2机械手的组成 7217852.2.1执行机构 7267402.2.2驱动系统 11204612.2.3位置检测装置 1264172.2.4传动系统 12211002.2.5机械手控制系统 26280883基于PLC控制系统硬件设计 29298653.1PLC的选型 2921873.2系统控制原理 29310253.2.1I/O分配表 30284293.2.2PLC软件编程元件 3040953.3限位开关选型 31224703.4光电开关选型 32107653.5电动机选型 33312503.6电磁阀选型 34108573.7PLC控制系统硬件接线图 3564954机械手控制系统软件设计 37268744.1PLC编程软件简介 3739434.2控制系统工艺流程 37236344.3控制系统项目创建 38299934.3.1新建项目 38110824.3.2系统块设置 39186024.4控制系统程序设计 40113164.4.1符号表的建立 4076234.4.2主程序设计 41181534.4.3手动控制程序设计 4268214.4.4自动控制程序设计 4461424.4.5复位及报警程序设计 45175304.5控制系统仿真与调试 46263384.5.1仿真软件设置 4619894.5.2主程序仿真 47198964.5.3手动控制程序仿真 48325674.5.4自动控制程序仿真 49105324.5.5复位及报警程序仿真 50222225结论 5222377参考文献 531引言现在工业水平的不断提高，科学技术逐渐成为第一生产力也给人们的生活带来了本质性的变化，大大提升了工作环境和幸福指数。现在的自动化技术被广泛的应用于工业生产，也普遍使用于自动化制造行业之中。因为现代自动化技术与传统机械相结合，制造业生产效率得以提升[2]。机械臂是在此发展时期出现的一项新技术。消耗优于传统机械设备。它可以在制造业和现代工业生产中发挥重要作用。现代自动化技术的出现时为了提高生产效率降低劳动成本，使工作更简单化、安全化。随着机械臂技术的不断发展，大量机械臂已开始用于工业领域的焊接，注塑，夹持，组装和其他工业生产。本次设计在分析机械手臂的研究现状及其控制流程的优缺点上提出了新的机械手臂的控制方案。利用PLC作为载体设计一套程序驱动进行预定动作实现物料搬运工能，并且可以根据变化的要求随时更改相关参数。系统主要由机械结构、驱动系统软件、控制系统以及物料检测等组成。由PLC作为系统的控制中心，机械手使用液压推杆和电磁阀的组合，来控制机械手完成相关的机械动作使其有流程，具有轨迹并具有一定的时间。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令。控制系统由西门子S7-200SMART作为主要控制器在机械手臂的各个动作限位处采集输入输出信号作为PLC的输入输出。在生产线之中，机械手把一条传送带上的物品传送到需要加工的工作台台上。机械手的提升，降低，伸展，收缩，夹紧和压力释放动作均由继电器控制，以操作液压传动系统软件，行程开关和光电开关用于检查机械手和机器人的运动。机械手所在的部分。皮带和机械手的左右旋转由异步电动机驱动，电动机有相应的防护措施。设计方案操纵器的控制系统包括硬件配置电路和程序编程。关键的硬件配置由PLC，机械手，电机和其他相关组件组成，软件包括PLC流程图、梯形图控制程序以及程序的仿真。1.1设计背景随着科学技术的高速发展和社会的进步，自动化控制有着普遍的应用，如自动化机床的控制，计算机系统，工业机器人和机械手等。而工业机器人和机械手是比较新式的电子机械设备，它正开始转变现代科技化工业面目。机械手就是用机器替代人手，把物料从某个地点搬到指定的位置，或按照预期要求来控制工件进行加工，极大地降低了人的劳动强度，并且增加了工作效率并降低了产品的成本，对现代社会的发展起到极大的作用，但大多数工业机器人只是在危险地带、噪音大、高压、多粉尘、高温、空间狭窄等不适合人工作的地方。还有它可按照预定的工作程序完成规定的动作，但还不配备传感反馈功能，不能随机应变。若发生一些偏差时，就将造成零部件的损坏。针对于上面多个领域机器人系统的实践和研究对机器人系统也提出更高更好的要求。世界各国的机器人学科学家都在为机器人的更高的智能化和更好的适应性而研究着。现在市面上大部分都是非开放系统的机器人，由于修改非开放系统是非常困难的。所以研究和使用具有开放结构的机器人系统才是机器人发展的根本。这样才能让更多的人去了解和学习，才能有更好的发展。械手最早应用在汽车制造工业，常用于上下料、搬运、焊接和喷漆等方面。机械手的出现，解放了人的手足，扩大了人的大脑功能。它不仅能够替代人在危险、有毒、有害、冰冷和高热等恶劣条件中工作。还能帮助人完成繁琐、单调的重复劳动，提高劳动生产率。目前机械手主要用在制造业里，尤其是在电器制造、汽车制造、机械制造及材料加工等行业。随着现代科技的进步，人们对产品的功能、性能等要求不断提高，机械手的应用范围也日益广大。焊接机械手也是工业机器人的重要分支。它本身具有许多特性，通过编程执行任务，执行预选任务，在结构和性能上都具有一定的优势，现在非常聪明和人道。与这项工作的精确性和执行它的能力相比，好处是显而易见的。机械手的快速发展是由于人们越来越意识到它的积极作用：首先，它可以部分取代人工工作；第二，根据生产的技术要求，这是完全可行的，一旦完成了特定的程序，就可以按照规定的时间、地点和程序完成工作；第三，还可以对一些轻型装配和焊接部件进行管理、自动化焊接和装配工作、减少人工生产、提高生产效率以及在工业生产中发挥更大作用，加速发展。这也与他们受到高度重视有关，而许多国家对待他们非常认真，在他们的研究中投入了大量的人力和物质力量。特别是在某些特殊条件下，如高温或高血压，以及一些环境中使用的噪音。现代汽车的生产情况也很清楚：所有这些工厂都是生产线，特别是焊接技术，以及生产线，主要用来制造机械手。身体在每次运动中都是这样移动的，然后身体的身体被控制、呼吸和下降，同时将其放置在指定的位置。这些机械手不仅出现在这些工业中，还出现在一些家用电器工厂中，这些工厂在装配线上使用这种机械手，而且还出现在制造机械手的大部分线路上。工业机械手是近几十年来成长起来的高技术含量的自动生产作业机器。机械手也是机器人的一种，它能按预期要求把物料从某个地点搬到指定的位置，或按照预期要求来控制工件进行加工，它发展的方向是更高智能化和更好的适应性。机械手动作的精准性和各种环境中完成动作的情况，在现代经济中有着非常巨大的发展前景。1.2设计意义1.2.1能提高生产过程的自动化程度机械手的使用是必要的，在一些集会，和焊接生产线有很多优势，可以加快转移的材料或装卸以及工件的机械组装，是很有帮助的，效率提高，成本控制，自动化程度这些因素是非常重要的。1.2.2可以改善工作条件，避免人身事故在一些特殊的环境中，人们很难工作，或很难在其中工作一段时间，如高温、高压或低温，低压环境中，更多的噪音或放射性材料和其他环境是非常危险的人。这个时候使用机械手可以很好的完成工作，不需要担心这些问题，代替人在工作岗位上完成。同时这也是你的工作条件，也是为了避免一些生命安全事故。1.2.3可以减少人力，方便节奏性生产在使用机械手时，更多的是代替手工工作的一种情况，这也直接减少了人力，而且机械手能够长时间不间断的工作，所以也直接提高了生产效率。机械手必然成为工业产业发展中的重要手段。它是效法人的手臂及手部的部分能力，依照预期的目的的搬运物料或夹持机器进行操作的自动化科技装备。这类新式技术装备的出现和应用，对现实生产工业的自动化，推进着工业的发展，所以赋有强大的发展力和生命力，受到世界各国的广泛欢迎和重视。长期的实践证明：机械手可替代人手进行各种劳动，机械手可以大大的降低人的劳动强度，明显提高工作效率。生产产业中经常出现极重的物料的搬运和长期、单调、繁重的动作，运用机械手动作是非常有效果的；另外，它能在在危险地带、噪音大、高压、多粉尘、高温、空间狭窄、污染等环境中下进动作，其优越性得到更大的提高，机械手的进步势在必行。2PLC的选型与机械手的组成2.1PLC的基本概念现代国际社会法律规定,加工业和机械制造业应迅速积极响应国际市场需求,生产开发出一种具有小批量的,多样化的,多规模的,低成本高质量的现代化产品。为了更好地满足这一要求,生产线设备和自动化生产线的控制系统必须具有很高的稳定性和协调能力。PLC恰好满足此要求。它是基于微控制器的通用工业控制系统设备。PLC具有广泛的应用范围,功能齐全,易于使用。长期以来,它已广泛用于各种工业设备和生产过程的自动控制系统中。PLC在家庭自动化等其他行业的应用也取得了快速的发展趋势。PLC仍处于不断发展的趋势,设备的功能不断被丰富,资源对全球开发不封所。它在工业生产互联网控制系统中也具有无可争议的影响。PLC具有广泛的应用范围和较高的普及度,这是控制计算机和设备的其他计算机系统所无法比拟的。国际标准化组织（IEC）于1985年提出的PLC规格化建议中将PLC定义如下：“可编程控制器是一种用于数字化操作的电子控制系统，专为在工业自然环境下进行应用研究所设计。其运用了用户可以自由编写程序的微处理器。存储器，用于存储执行“或”运算的命令，还可以根据数字量输入和数字量输出进行数字化的显示，可以根据实际的控制要求编写相关程序，与PLC相关的外围机械设备相结合，加快了工业自动化的发展进程也加速了可编程控制器的硬件和软件的开发进度”从上述的描述可以了解到，可编程控制器是一种新兴工业计算机，通过对软件的编辑就可以实现对外部硬件的控制。PLC除了可以完成程序的执行意外还可以与其他工业硬件进行相互的信息交换。2.1.1PLC的基本结构可编程控制器（俗称PLC）：这是一种专门应用于各种数字化操作的电子控制系统,专门为各种工业自然环境中的应用而设计。它通过选择一种类型的可编程控制器或者存储设备来实现对程序流,执行"或"的运算,顺序控制,时间,计数和算术运算以及其他以用户为中心的命令，并根据数据数字仿真输入，输出来控制工业制造中的各种机械。PLC实现执行控制，其基本的控制原理时通过算法来优化控制系统输入/输出，并配合外部元件加以实现。输入/输出的相互转变加上外部的执行机构就构成了可编程控制器实现控制最基本的两个关键要素,可编程控制器在设计时参考了计算机的结构,包括中央处理器、系统程序存储区、输入电路与输出电路、通讯及电源构成。PLC的基本结构如图2-1所示。图2-1PLC的基本结构2.1.2中央处理器CPU中央处理器（CPU）作为PLC最重要的元件。其根据可编程控制器的控制要求开发的功能有：1.人为编写的程序和数据的读写；b.监控PLC各个组件的工作状态，当发现人为编写的程序有错误时可以报警提示·。当可编程控制器运用到工业制造之中时，第一步是扫描整个控制系统并记录下输入/输出的工作状态后存入相应的存储区域，其次在人工编程设计的软件程序中执行，通过对人工编写的程序的运算，将运算的结果传送给PLC的外部执行器件。待CPU运算完人工编写的控制程序时，将输入/输出映象寄存区的各种数据传送给对应的输出元件。2.1.3存储区PLC的数据存储区域由用户程序和系统程序两部分组成。系统程序区域的存储器称为系统程序存储器；用户程序的保存区域称为用户程序存储器，因此在数据层面上将其定义为上述两部分。 可编程逻辑控制器储存区域的制定 ：虽然各种可编程逻辑控制器的中央处理器的最大FPU空间均不一样，但是根据PLC的运行方式，其储存区域一般含有以下几点：（1）系统程序存储区（2）系统RAM存储区（3）用户程序存储区系统程序存储区：PLC的基本操作程序均存放于此区域。包括监控程序、控制程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。本类程序通常被固件生产厂商烧录在EEPROM内，用户没有权限对其进行读写。PLC的工作性能主要由该类软件和组成的硬件所决定。PLC的RAM储存包括I/O映象寄存区以及各类电气元件，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、中间变量存储器、等存储器。（3）用户程序存储区：该区域储存由人工进行开发的软件程序。各个型号不相同的PLC，储存大小也不尽相同。 2.2机械手的组成本文所设计的机械手设备主要由系统输入、执行机构、驱动系统、传动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。2.2.1执行机构1.手爪结构机械手的通用性是更重要的是，如果特征太简单，没有太多的价值，所以在这个多才多艺的加强，有必要手操纵的机制做一个结构，可以更换，另外，可以变成一种气动吸盘的结构。这种手的结构是手指和力的传递的简单结合。这种制度形式多样，适应面广。对手部的基本要求（1）具有足够的夹紧力；手指的夹紧力对于机械手整体设计也很重要。在计算夹紧力的时候还需要考虑到一些因素。例如惯性力和振动，一定要保证不会干扰到机械手的正常工作。（2）手指间应具有一定的开闭角；手指的开闭角度用来保证物体在达到指定位置4后可以正常的分离或进入。一般情况下，当工作条件较好，环境允许时，最好是打开和关闭更大的范围。（3）保证工件准确定位；设计中一定有误差，因此在设计中采用了IT8级，从而保证工件的定位。（4）具有足够的强度和刚度；设计手的时候必须要考虑到材料具有合适的强度和刚度，满足工作要求。（5）考虑被抓工件的形状要求。设计任务要求：工件为圆柱形，外径40-60mm，长度范围40-60mm，质量小于500g。因此，可以将齿轮加工旋转设计成夹紧机械手来完成圆柱形零件，使传动效率高，结构简单。为了简化结构，不仅可以提高齿轮和连接臂的整体强度，还可以对设计结构进行更详细的设计。图2-2手爪结构设计装配图2.上臂结构上臂采用底板和外罩的复合结构。为了降低发动机所需的性能，采用了重量大幅减轻的钣金风车镶嵌结构。嵌体的主要功能是旋转驱动端的结构。另外，为了防止灰尘等杂物进入外罩。设计材料选用低密度铝材，可减轻重量，使用更方便。图2-3上臂侧板结构图3.下臂结构因为下臂设计使用的是同步带结构，所以下臂和上臂的设计有一些相似的地方，上臂依旧依赖同步带的传动，下臂的位置可以通过同步带进行调整。所以，因为下臂的设计需求，它由三块随槽移动的板组成。U型槽结构，在U型槽外侧设计了两组滑动动力件，上臂结构固定在滑块上，保证了上臂的正确直线运动。图2-4下臂设计结构图4.腰座结构机械手手臂主要靠腰部支撑，同时保证手臂旋转过程的稳定。所以，腰部转动过程中转速和稳定性都很重要，可以避免受到惯性作用。另外，减速器按照实际情况安排，不仅是安装，还必须具备以下条件。（1）强度刚度都适合。（2）这机械臂不受到振动影响。（3）良好的热稳定性。（4）加工方面，运输过程平稳。如图4-4所示，机械手腰部主要由滑动件、支撑件、传动件等辅助部件组成。腰部的驱动原理与手臂相同，电机通过螺杆旋转，滑块使滑块向下滑动。导轨两端装有防撞块。展开至腰部，但必须配备减速装置，其支撑臂、腰管、滑块均采用KBM系列铝合金线材。缓冲块由WS系列铜合金制成。与其他机械手不同，旋转电机安装在腰部和腰管上。电机通过减速器转动的接头固定支撑臂，腰部支撑臂两端固定在跑道上，滑块固定在滑台上，防撞缓冲器安装在滑块座上。图2-5腰部结构设计图2.2.2驱动系统驱动系统是整个机械手的动力来源。驱动系统的结构通常分为由液压装置所组成的液压传动系统、由气压泵进行驱动的气压传动系统以及由齿轮、传动轴等机械元件所构成的机械传动系统。机械手的抓取、运动等操作均由控制系统控制完成。在目前的工业生产中机械手控制系统主要分为传统以继电器构成的电子控制系统以及有智能操作设备所构成的可开发程序控制系统。在现代智能控制系统中设备通常装配有EEPROM等程序存储装置。机械手能够读取其中的程序信息，并按照程序指令进行运动（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时，程序可以对控制系统的动作进行监视并传达给上位机。当机械手发生故障或产生危险动作时，控制系统可以通知上位机并发出声光报警信号。2.2.3位置检测装置位置检测装置通常由一系列的检测传感器所组成。传感器可以将机械手的是是运动轨迹和位置传达给控制系统。通过传感器返回数据与设定值进行比较可以适时调整机械手移动位置，从而使整个机械手提高控制精度。2.2.4传动系统1.动力传动系统通常机械手一般有三种驱动方式：（1）电动驱动电力驱动是目前最常见的传动方式。实际能量比手工简单，速度快，效率高。电力传动还会连接着减速机，这会影响机械臂的驱动。电机主要有直流电机驱动和伺服电机驱动两类。设计了交流伺服电机驱动的开放式控制方式。虽然这种控制方法相对简单，但由于其功耗小，控制精度低，功耗低。它通常用于机器人系统。（2）液压驱动器在液压驱动机器人系统中，因为受到较强的驱动功率，且上述结构较为简单，无需减速齿轮。所以，液压驱动机器人更适合伺服电机驱动的驱动方式。（3）气动驱动器气压传动装置虽然相对简单，但在相同的功率下没有液压驱动，气动驱动力较小。由于电压低，上述控制速度非常不方便，可用于一些低精度的液位控制系统。通过对三种驱动方式的比较，本文机器人在电气驱动方式的选择上采用了直流伺服电机和步进电机。2.电机选型电机作为机器人前进的动力源，是整个系统的核心设备。它对安全性和可靠性有一定的影响。电机的选择有多钟，专用进口机器人操作的部件相对较小，所需的部件相对较小。由于位置精度较高，所以选用伺服电机作为设计方案。根据设计可选用110-02030型伺服电机，额定功率600W，额定电压220V，额定功率1.96N·m。3.齿轮传动设计图2-6齿轮设计1.确定齿轮的类型和精度，确定齿的材质和数量1）在这种变速模式下，设计选用压力角为20度的圆柱齿轮。2）高精度新型串并混联上下料机械手，7级精度选择。3）目前选用的材料为45钢齿轮，硬度范围为229至286HBS。4）齿轮1齿数，传动比选取，齿轮2齿数为防止齿数啮合破坏，齿数互质，选择2.按齿面接触强度设计由设计计算公式进行验算，即（1）确定公式中的计算值1）试选载荷系数2）计算齿轮传动的扭矩3）选取齿宽系数4）查询材料的弹性影响系数5）根据齿面硬度，确定齿轮的接触疲劳极限为，；6）齿轮应力循环次数(每天两次，每次8小时，每年使用300天，使用计算20年)7）查取接触疲劳寿命系数，8）计算接触疲劳许用力取失效概率为1%，安全系数，查询资料得取中较小者为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即（2）计算1）试算齿轮分度圆直径2）计算圆周速度根据设定角加速器30所以有3）计算齿宽 为保证齿轮强度齿宽b取值13mm4）计算齿宽与齿高之比5）计算载荷由表查得使用系数；根据，6级精度，查得动再系数；直齿轮，；根据材料表的参数，采用这种插值法可以查到需要的参数，里面的齿轮的精度数值为6，在这个相对支承但是又不是对称布置的时候，其齿向载荷分布系数为；由，，查得 6）校正分度圆直径 7）计算模数 3.按齿根弯曲强度设计试算模数的设计公式 （1）确定公式内的各计算数值，1）查得齿轮的弯曲疲劳强度极限，QUOTEQUOTEσFlim1σFlim1，2）取弯曲疲劳寿命系数，3）计算弯曲疲劳需用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.7，由式得 4）计算载荷系数 5）查得齿形系数，6）查得应力校正系数，7）计算齿轮的并加以比较 因为齿轮1的大于齿轮2的数值，所以取（2）设计计算 根据上述计算，模量较小。考虑实际加工情况，考虑齿轮的强度和刚度要求，其取模量为m=2。4.确定几何尺寸1）计算分度圆直径 2）计算中心距 2）计算齿宽 保证强度，齿宽取整5.绘制齿轮零件图，详细见附件二维图纸6.齿轮主要参数表表2-1齿轮的主要参数名称代号齿轮1齿轮2模数m2中心距A69压力角α20精度等级JD6齿数z1752齿宽b1313分度圆直径d34104齿顶圆直径da38108齿根圆直径df29994.同步带结构设计计算为了选择滚珠丝杠和皮带，需要对上述部件的参数进行计算。要想估算自由荷载再计算结构参数。第一自由度载荷20kg，第二自由度载荷5kg，第三自由度载荷0.5kg。设计计算以斜坡同步带为例，同步带主要完成压力机的冲压和张紧。设计的手套重量为圆柱形，外径φ40-60mm，长度范围40-60mm，质量500以下，传输功率500W，自由转速100r/min。1）设计功率由表查得2）选定带型和节距根据，节距3）确定小带轮齿数根据带型H和小带轮转速，查得小带轮的最小齿数在这里取4）小带轮节圆直径根据上式查得其外径5）在这里大带轮和小带轮相同，传动比为1因此大带轮的外径与小带轮相同所以有，6）带速v7）初定轴间距取8）确定带长及齿数根据上式查得带长代号为1100的H型同步带，其节线长，节线长上的齿数。9）实际轴间距a10）小带轮啮合齿数11）基本额定功率由机械手机手册]查得，12）计算带宽由手册查得H型带由手册查得，应选带宽代号为300的H型带，其13）带轮结构和尺寸传动选用的同步带为1100H300；5.丝杠结构设计采用丝杠传动。丝杠的轴向力由3个自由度载荷力共同组成，所以导螺杆的载荷是200N，必要条件是螺杆载荷，发动机最大转速n为3000r/min，导杆的导向线为10mm，等效转速（移动过程中中小轴负载和电机转速）等效转速为1500r/min，等效负载移动原理。图2-7丝杠结构设计计算动负载：由公式其中：寿命系数，转速系数，要求寿命，=300×16×10＝48000h综合系数，其中：查表3-2得；查表3-3得；查表3-4得；查表3-5得；查表3-6得表3-2温度系数工作温度小于10012515017520022525010.950.900.850.800.750.70表3-3硬度系数硬度》585552.55047.545401.01.111.351.561.922.43.85精度等级1、2、34、57101.00.90.80.7表3-5负载性质系数负荷性质无冲击平稳运转一般运动有冲击和振动运转1-1.21.2-1.51.5-2.5表3-6可靠性系数可靠度9095969798991.000.620.530.440.330.21经计算，得，因此得到选用RNBS标准螺母，精度为螺纹。型号为RNBS2510A，需要其规定的负载。选择工作冲程垂直方向为300mm，标准螺钉长度为500mm的滚珠丝杠副。不发生共振临界转速校核：式中E—材料的拉、压弹性模量，钢的J—丝杠轴最小截面惯性矩（）；A—丝杠轴最小截面面积；—临界转速计算长度（m）；ρ—材料密度钢的；—安全系数，取=0.8；将E、J、A、ρ、的值代入得其中：查表3-7得：=3.927，由滚珠丝杠副参数知：丝杠螺纹底径mm临界转速长度：mm经计算得，符合要求表2-2支撑方式系数支撑方式一端固定一端自由一端固定一端游动两端固定0.252.004.001.8753.9274.730适应范围低速短轴垂直安装中速、较高精度高速、高精度、高刚度临界压缩载荷校核：不发生失稳的最大压缩载荷，以表示，按欧拉公式计算式中E、J、—含义同上；—最大受压长度（m）；—丝杠支承方式系数；—安全系数，取=；将E、J、、π的值代入上式可简化得其中：查表得：=2.00，由滚珠丝杠副参数知：丝杠螺纹底径mm临界转速长度：mm经计算得15.2KN，符合要求。6.轴承的计算校核图2-8轴承设计根据结构尺寸，旋转轴承6203，内径17mm，外径40mm，预期轴承的寿命=50000h。查询资料可得：=20100N，=22000N由于轴承所受载荷平稳，=1.0大齿轮的圆周力：==N=36.30N大齿轮的径向力：==36.30°=13.21N冲压件上下料机械手腰座上的所有重力构成了轴承承受的轴向力，上部总质量W约为2kg，则轴向力：=29.8=19.6N计算当量动载荷：==1.50＞故X=0.56，Y=1.71寿命计算：==由于轴承受力很小，故远远超过需用寿命。2.2.5机械手控制系统机械手的工作流程图如图2-9,2-10所示。图2-9系统结构图2-10机械臂系统示意图根据上图分析，按下启动按钮传送带开始工作，当工件接触到光电开关时传送带停止工作，同时机械臂开始动作，机械臂在原点时，机械臂伸出当接触到伸出限位I0.0时机械臂开始下降，当机械臂接触到下降限位I0.3时机械手臂进行延时后夹紧，夹紧延时后机械手开始上升，当接触到上升限位I0.2时机械手臂开始回缩，机械手回缩时接触到回缩限位I0.1时，机械手开始右转，当机械臂右转达到右转限位I0.5时，机械手开始伸出当接触到伸出限位I0.0时机械臂开始下降，当机械臂下降到下降限位I0.3时机械臂进行短暂延时后机械手将所夹的工件放在工作台上进行加工，机械手放松后开始上升，当接触到上升限位I0.2时机械臂开始回缩当机械臂回缩到回缩限位I0.1时机械臂左转到初始位置实现一个循环。3基于PLC控制系统硬件设计3.1PLC的选型PLC技术经过几十年的发展，技术已经相对成熟。全球已有二百多个公司集团生产可编程控制器以及可编程控制器的相关产品，其中较为优秀的PLC生产公司有德国SIEMENS、美国罗克韦尔、日本MITSUBISHI、OMRON公司等。得益于西门子公司强大的软硬件实力，在上述公司中，使用较为广泛的PLC设备主要是西门子公司所生产。西门子PLC不仅时常应用于工业生产现场，在国内基建方面也有所使用。目前，西门子公司生产的PLC，在国家的各个行业应用已经相当广泛。欧姆龙所生产的PLC设备主要宗旨是小型化、集成化，在小型工业控制现场和流水线被广泛使用。相较于西门子公司所生产的PLC，欧姆龙实现了PLC在硬件集成化技术上的突破，但究与其控制精度不理想，程序指令读取方面的设计缺陷，难以应用在大型工业控制场合。本次设计确认选型为西门子（SIMENS）S7-200SMART系列PLC，CPU型号为SR30继电器输出，220VAC供电，18输入/12输出。选择此型号的PLC足够本次设计的使用，同时还有剩余的输入输出点数可以为后续的升级留出足够的空间。S7-200SMART系列PLC的CPU扫描周期和扫描速率更快，通过西门子设计的12nm制程工艺的SR30高速芯片，将基本指令的反应时间控制在0.15纳秒以内，实现了小型PLC的高精度、高反应速度的控制要求，因此在同级别PLC中首屈一指，遥遥领先。SMART系列PLC在通讯方面也做出了改进。他在原有的RS485通讯的基础上还增加了以太网通讯接口，大大提升了PLC的通讯扩展能力，还提升了PLC的传输速率。S7-200SMART系列PLC延续了其父版本S7-200的基本编程语言设计思想，只有极少数的与硬件相关的指令与其不同所有上手也十分的简单。考虑经济性，S7-200SMART系列PLC为小型PLC也是应用最为广泛的PLC其价格低廉，体积小巧且性价比高，抗干扰能力强后期维护也更加的方便。3.2系统控制原理3.2.1I/O分配表PLC控制的机械手输入分配表如表3-1所示。表3-1输入分配表输入名称地址输入名称地址伸出限位I0.0传送热继电保护I1.2回缩限位I0.1旋转热继电保护I1.3上升限位I0.2物料检测I1.4下降限位I0.3手动伸出回缩I1.5左转限位I0.4手动上升下降I1.6右转限位I0.5手动夹紧放松I1.7夹紧限位I0.6手动左转I2.0手动启动按钮I0.7手动右转I2.1自动启动按钮I1.0复位按钮I2.2停止按钮I1.1PLC控制的机械手输出分配表如表3-2所示。表3-2输出分配表输出名称地址输出名称地址伸出电磁阀Q0.0右转Q0.5报警指示灯Q0.1夹紧电磁阀Q0.6上升电磁阀Q0.2传送带Q0.7自动运行指示灯Q0.3手动运行指示灯Q1.0左转Q0.43.2.2PLC软件编程元件本次设计使用SIMATICS7-SMART系列PLC作为本次设计所使用的硬件，编程中所用到的元件如表3-2所示。表3-3内部元件表名称用途输入变量（I）系统输入输出继电器（Q）系统输出中间继电器（M）中间输出变量定时器（T）计时计数器（C）计数特殊继电器（SM0.1）初始化脉冲3.3限位开关选型作为按钮的变种形式，限位开关被应用于控制系统的各个使用场景中。限位开关（或行程开关）与传统按钮的区别在于其控制源是机械设备而并非人工。根据机械设备的运行轨迹，在设备运行至某一点位时，限位开关被触发，使程序得以反应，从而改变机械设备的运动路线。综上所述，限位开关可以实现机械设备的运动控制，包括自动启动、停止、以及变向运动等。限位开关主要分为被机械设备直接触发的直动式限位开关、通过机械摆锤装置间接触发的单轮旋转式限位开关、以及单轮式限位开关的升级版本（双向触发）的双旋转式限位开关等多种行程开关。在本次设计中采用的是直动式限位开关其结构如图3-1所示。顶杆2-弹簧3-常闭触头4-触头弹簧5-常开触头图3-1直动式限位开关结构图当运动机构的挡板撞到直动式限位开关的顶杆时，顶杆向下移动，此时限位开关的常闭触头断开常开触头闭合，当挡板移走后由于弹簧的作用限位开关的各个触头回复到起始状态。生产限位开关的工厂有很多，本次设计选用的限位开关的型号选择为德力西LXK3-20S直动式限位开关其工作电压为AC220V，额定电流为1.6A可以满足本次的设计需求。3.4光电开关选型光电开关由光发射元件和接收元件所组成。其工作原理是发射端与接收端中光束被移动物体所阻挡时，光电开关被触发。光电开关很广泛的应用于机械臂的动作限位、记录运动次数、检测物料位置的一类非接触式的开关。根据光线检测形式的不同，光电开关主要被分为有光线对射式、反射式、夹角式、光导纤维式等多种工作方式的光电开关。在本次设计中采用的是对射式光电开关，这类光电开关一般由发送器、接收器和检测电路三部分组成发送器和接收器在一个水平线上相向安装，发送器发出光束由接收器接收当有物体经过时接收器的透光亮就会发生变化其工作原理如图3-2所示。图3-2对射式光电开关工作原理图本次设计选用的光电开关的型号为E3F-20C1/20L，其工作电压为6~36V，可以感应的距离为30CM-20M，优点有可以检测的距离比较广，检测精度高等，可以满足本次设计对于检查物料时检测精度和检测距离的需要。3.5电动机选型本次毕业设计的控制系统中所需要的电动机主要的用途为带动机械手的左转和右转，并且因为机械手本身具有一定的重量，夹起的重物也有一定的重量，在旋转的过程中速度不可以太快，所以对所选择的电动机转矩有一定的要求，根据上述的要求所以本次设计选用减速电机作为机械手左转和右转的电机。减速电机一般分为直流减速电机和交流减速电机，在本次设计中采用的是交流减速电机，交流减速电机的基本结构为交流电动机和微型齿轮减速箱，齿轮减速箱的作用就是提供一个比较低的转速和比较大的转矩。与此同时，齿轮减速箱不同的减速比也可以提供不同的转速和转矩，这样就加大了减速电机的应用领域，可以在不同的行业中使用功率不同的直流减速电机，减速电机的优点有体积较小、噪音低、功耗低、耐用等优点。本次设计选用的减速电机的型号为YS-70KTYZ永磁交流减速电动机，此型号电动机可以满足本次设计所需，其主要参数如表3-4所示。表3-4减速电动机参数铭牌参数额定电压AC220V额定功率40W是否正反转是转速2.5r/min此型号的电动机可以满足本次设计机械手左转和右转的要求。3.6电磁阀选型电磁阀由电磁感应线圈和永磁铁、传动机构所组成，属于执行器的一种。在工业控制系统中，电磁阀的主要应用场合为气动阀门、液体闸门等。究与电磁阀优秀的工作特性，电磁阀在气动和液压方面得到了广泛的应用。电磁阀的种类有很多种例如二位三通式电磁阀、二位四通式电磁阀、二位五通式电磁阀等多种不同种类的电磁阀。不同的电磁阀其适合的工作场合也不尽相同，本次设计主要采用的电磁阀类型为二位四通式电磁阀，二位五通是电磁阀和二位四通式电磁阀在控制方面达到的控制效果是相同的，不同点在于二位五通是电磁阀更适合应用于气动控制系统中气体可以直接有电磁阀排除不需要回收。而二位四通式电磁阀又被称为换向阀是主要适合应用在液压领域的电磁阀。主要特点是可以很方便的回收液压油使其可以达到重复利用的目的。二位四通式电磁阀的工作原理（如图3-3所示）当电磁阀失电时液体由B口进入液压缸由A口流出液压缸，此时液压杆处于原点起始位置。图3-3电磁阀工作原理当电磁阀线圈通电时液体由A口流入液压缸由B口流出液压缸，此时由于压力的作用使液压杆伸出，当电磁阀失电，由于弹簧的作用使得液体流向变为B口流入A口流出使液压杆回归原位如图3-4所示。图3-4二位四通电磁阀工作原理图本次设计选用的二位四通电磁阀型号为DSG-02-2B2-A220-DL，电磁阀的工作电压为交流220V，带自复位式电磁阀其优点是当电磁阀得电时液压杆伸出，当电磁阀电时，电磁阀可以实现自动复位，可以满足本次设计的需求。3.7PLC控制系统硬件接线图PLC外部接线图是可以直观表示出外部接线原理，外部接线图如图3-5所示。图3-5PLC外部接线图4机械手控制系统软件设计4.1PLC编程软件简介西门子STEP7系列编程软件主要用于创建PLC软件程序编写的标准化软件，可以使用面向电工类人员设计的梯形图逻辑系统编程、面向计算机类人员使用的语句表逻辑进行编程、还有面向适合于电子类专业的功能块图逻辑进行编程。软件支持的基本功能是创建、编辑和修改用户程序以及编译、调试、运行和实时监控用户程序的基本功能。4.2控制系统工艺流程机械手控制工艺流程主要由抓取物料、移动和放置物料三个操作环节所组成。机械手在自动化生产线上的主要应用为对传送带运输来的物料进行抓取，抬升后进行转向运动操作，并将物料放置于物料加工工作台上。工作台对物料工件进行加工。机械手在运输物料工件时的主要动作有：传送带将物料传递而来时，机械手臂通过传感器获取物料位置信息。旋转角度至传送带。触碰限位开关后，机械手由立柱下降并带动机械手臂向前伸出。到达物料所处位置时，机械手臂按照程序向下做出抓取动作，将物料夹紧后，机械手手指部分触发限位开关并做出向上抬升的动作。抬升至一定位置时，机械手臂向后回缩，立柱发生旋转动作带动机械手臂的向右旋转。由可编程控制器在伸出、回缩、上升、下降、左转、右转的限位处的限位开关来控制机械手臂的动作限位，让机械手按照规定的动作轨迹完成规定的动作，并且实现一个周期的循环机械手的控制工艺流程图如图4-1所示。图4-1控制工艺流程图4.3控制系统项目创建4.3.1新建项目打开STEP7-MicroWINSMART编程软件，单击新建项目，而后单击保存在弹出的对话框中为新建的项目文件重命名为“毕业设计”，如图4-2所示。图4-2项目创建4.3.2系统块设置在软件程序编写前还需要对程序的系统块进行设计，设置的目的一是选择本次设计所使用的可编程控制器的CPU型号，如果使用了其他的模块也必须在系统块中添加后CPU才会识别到添加的模块信息。二是设置可编程控制器CPU的通讯方式，可提供的通讯方式有以太网端口通讯和RS485端口通讯，本次设计所使用的端口为以太网端口通讯。具体的操作步骤为：在新建的项目下拉栏中找到CPU图标，其默认的CPU型号为ST20，双击CPUST20。在弹出的系统块对话框中找到CPU并双击，在下拉栏中找到本次设计所需的CPU型号“CPUSR30”如图4-3所示。单击通信，勾选以太网端口通讯并设置IP地址为“192.168.2.1”，设置子网掩码为“255.255.255.0”，IP地址的设置必须使PLC的通讯地址和PC的通讯地址在同一网段时，PLC和PC之间才可以建立起通讯链接，如图4-4所示。图4-3系统块CPU型号选择图4-4系统块通讯设置4.4控制系统程序设计本次设计的主要程序根据使用场景的不同主要分为两类分别是自动控制程序和手动控制程序。手动控制程序主要应用于在设备的使用初期，用于现场的各个动作调试。自动控制程序主要为了设备的长期运行，保证手动控制调节安全且长期稳定运行。4.4.1符号表的建立符号表的作用是用来统计所使用的变量，在在软件中可以对符号表中的变量进行修改，还起到了对所使用的变量进行注释的作用，方便于编写控制程序时对控制程序的理解，和方便在调试过程中了解控制程序的运行状态。符号表在创建项目文件时会自动生成符号表，所有只需对其进行修改即可。符号表的创建流程为在项目下拉栏中单击符号表，选择I/O符号如图4-5所示。图4-5符号表创建根据I/O分配表对符号表进行修改，修改完成后的符号表如图4-6所示。图4-6符号表创建完成4.4.2主程序设计机械手控制程序的主程序分为两部分，分别为启动自动控制程序和启动手动控制程序这两部分，且在自动控制程序启动时无法启动手动控制程序同理在启动手动控制程序后无法启动自动控制程序。自动控制程序启动和手动控制程序启动主要应用位逻辑指令进行编写，在启动程序的编写时要将自动启动和手动启动程序行程互锁，这样可以避免在自动程序运行时误触手动控制程序的按钮所形成的干扰，同理当启动手动控制程序时也可以避免误触自动控制程序行程干扰，手动启动程序和自动启动程序的转换条件为必须先按下停止按钮，具体程序编写如图4-7所示。图4-7手动/自动启动程序按照程序要求，当按下自动启动按钮I1.0时自动运行指示灯Q0.2接通，因为自动运行指示灯带自锁的传开触点Q0.2闭合，自动运行指示灯的常闭触点段开，自动运行指示灯会持续通电接入到自动控制程序中，此时因为自动运行指示灯常闭触点Q0.2断开，所以当误触手动启动按钮时，手动启动运行指示灯也不会接通，只有当按下停止按钮I1.1.时自动运行指示灯断电，Q0.2常闭触点复位时才可以启动手动启动程序。4.4.3手动控制程序设计手动控制程序为在初期的调试作用，其控制工艺为按下机械手各个动作的启动按钮时，机械手臂完成相应的动作，编写的具体程序如图4-8所示。图4-8手动伸出回缩当按下手动运行按钮I0.7时，手动运行指示灯Q1.0接通，机械手进入手动运行程序中，当按下并保持按下手动伸出回缩按钮I1.5时机械手进行伸出动作，当松开按钮I1.5时机械手进行回缩动作。图4-9手动上升下降当按下手动上升下降按钮I1.6并保持时，上升下降电磁阀Q0.3得电，机械手臂进行下降动作，当松开手动上升下降按钮I1.6时，上升下降电磁阀Q0.3失电，机械手臂进行上升动作，具体程序编写如图4-9所示。图4-10手动左转右转当按下手动左转按钮I2.0时，电动机左转电磁阀Q0.4得电，机械手臂进行左转当接触到左转的最大限位I0.4时，左转限位I0.4常闭点断开，左转Q0.4失电，机械手臂停止左转，机械手右转原理与左转原理相同，具体程序如图4-10所示。图4-11手动夹紧放松当按下手动夹紧放松按钮I1.7时，I1.7常开点闭合夹紧电磁阀Q0.6得电，机械手进行夹紧动作，当松开手动夹紧桑松按钮I1.7时夹紧电磁阀失电机械手放松，具体程序如图4-11所示。4.4.4自动控制程序设计自动控制程序为自动化生产线中长期运行的程序，其工艺为当按下自动运行启动按钮时机械手进入自动控制程序，机械手按照设定好的运动轨迹进行周期循环动作，自动控制的启动条件为只有当机械手处于动作的原点时、按下自动控制系统启动按钮时，才可以启动自动控制程序。图4-12自动控制程序局部当系统满足自动控制的启动条件时，按下自动启动按钮I1.0时,自动运行指示灯Q0.2得电使得自动运行指示灯常开触点Q0.2得电后中间继电器M0.1得电，传送带开始工作，运输物料工件到指定的位置时接触到物料检测光电开关I1.4，中间继电器M0.2接通机械手进行下一步的动作，同时M0.2中间继电器的常闭触点断开使得中间继电器M0.1失电，这样做的目的是去除上一步动作的下一步动作的干扰，提高自动控制系统的稳定性，机械手开始进行周期循环动作，这里的中间继电器M仅表示机械手个个动作的中间变量，具体程序如图4-12所示。自动控制系统实现循环的条件为当机械手执行到动作的最后一步时中间继电器M1.5接通，把系统最后一步动作作为循环控制系统的第一步启动条件，完成控制系统的循环当第二次循环开始时，中间继电器M0.1接通，它的常闭触点断开使得中间继电器M1.5线圈失电，断开机械手最后一步的影响具体程序如图4-13所示。图4-13自动控制系统循环4.4.5复位及报警程序设计复位程序是当控制系统在自动运行状态时，机械手臂意外停止时让机械手回归原位状态，机械手意外停止的情况分为两种，一种为机械手在左转限位处另一种是机械手不再左转限位处，当机械手意外失电时因为所有的电磁阀都带有自动复位的功能，所有当意外失电时机械手回到原位，但是控制左转和右转的电动机并不会回到原点，所有复位程序主要为将机械手左转到左转限位开关处，并复位所有的中间继电器具体程序如图4-14所示。图4-14复位程序报警程序为当程序在运行的过程中出现故障时可以及时让设备暂停工作并亮起报警指示灯起到提示报警的作用具体程序如图4-15所示。图4-15报警程序4.5控制系统仿真与调试在完成全部的机械手控制系统软件编写后，使用STEP7仿真软件对所写的控制系统进行仿真，使用仿真软件的优点是可以在不借助CPU硬件的情况下就可以运行所编写的PLC程序，了解所编写的机械手控制系统程序是否存在逻辑上的错误，这样可以提高程序的开发速度，保障控制系统软件可以在后期稳定的运行。4.5.1仿真软件设置首先打开STEP7-MicroWINSMART编程软件，打开所编写的控制系统程序，单击导出，在下拉栏中选择“导出POU”，导出仿真专用的AWL文件，并将仿真文件重命名为“毕业设计仿真”具体操作如图4-16,4-17所示。图4-16仿真文件导出图4-17仿真文件重命名其次打开仿真软件，单击“程序”在下拉栏中单击“装载程序”选择导出的仿真文件，完成仿真程序的装载，具体操作如图4-18所示。图4-18仿真文件装载4.5.2主程序仿真主程序仿真分为两部分，一部分为自动控制启动程序另一部分为手动控制启动程序两部分控制程序仿真。自动控制程序仿真为当按下自动启动按钮I1.0时，自动运行指示灯Q0.2点亮，同时传送带Q0.7启动，具体仿真如图4-19所示。图4-19自动启动程序仿真手动控制程序为当按下手动启动按钮I0.7