《基于西门子S7-200PLC的自动化翻浆机的结构设计》8200字

基于西门子S7-200PLC的自动化翻浆机的结构设计TOC\o"1-3"\h\u5694摘要 II摘要近年来随着自动化控制技术的快速发展，可编程控制器在工业控制上逐渐崭露头角。自动化翻浆机是一种模拟人类进行陶瓷翻浆的一种PLC控制翻转型机械装置，是机电一体化的产物。本课题针对中小型陶瓷成型中回浆步骤仍采用人工居多，所设计的代替人工作业的装置，所涉及的是自动控制翻浆的设计方案，由夹持和翻转两个主要部分组成。本文主要介绍自动控制翻浆机的的结构、工作原理及主要部件设计。结合做过的机电一体化设计，本次选定西门子S7-200系列PLC为控制元件。关键词：可编程控制器；翻转机构；陶瓷成型；自动控制1引言1.1课题的研究背景及意义1.1.1课题的研究背景随着经济的迅速发展，陶瓷工业逐渐走向规模化，机械自动化。近年来，市面上出现越来越多陶瓷成型自动化的产物，如自动注浆机等，愈来愈多的机械设备取代人工进入流水生产线，但独立的自动控制翻浆机还没有出现，翻转机构应用于很多领域，同样在陶瓷成型装置中举足轻重。1.1.2课题的研究意义自动化工程技术科学是一门可以涉及很多专门学科很多技术方向，在各个领域被广泛研究使用大放异彩的现代综合性工程科学技术，它本质上是指机器在或多或少的情况下直接参与运行，它可以按照人们的要求，通过自动检测，信息传递处理，操纵，控制，分析，判断，实现预期目标的过程。随着电子科学信息技术的不断迅猛发展，电子信息仪器技术野蛮般的生长，当自动计算机的创新出现并被广泛应用，人们对工业自动化技术有了更深刻的认识和更新理解并并提出了更高的发展目标。一种更高技术要求的人出现了，他们甚至觉得使用自动化制造技术不仅仅是要能直接代替一些人工，而且还要做到可以直接帮助一些人们自动进行脑力劳动，从而自动化来完成一些人们自己想要自动完成的各项工作。自动化生产技术的广泛采用不仅仅是可以帮助使企业人们大大提高企业劳动生产率，帮助企业人们很快摆脱繁重的业余体力劳动，节省下部分脑力劳动，让企业人们从恶劣而危险的企业工作生活环境中很快解脱得了出来。它还认为可以有效节约使用时间和并扩大现代人体器官的使用功能，丰富现代人们的科学想象力、创造力，增强现代人们对于理解和应对改造人类生活的认识能力。世界是交流进步的人类也是，人工智能代替人作业已经成为发展的趋势。因此，自动化技术是我国工业，农业，国防和生命科学信息技术工业现代化的重要组成条件和重要历史标志。推进现代化建设是最重要的技术。随着信息科技的快速发展，自动化精密技术也在不断的推陈出新，电子信息精密技术的快速发展也是一日千里，这些由于现代化信息技术的快速发展不断的的促进我国现代化的工业，农业的快速发展，使我们的我国现代化农业建设也有可能能够得到快速的的发展，在我国现代化农业建设中它也是起着重要的指导作用[1]。1.2PLC的概述PLC指的是一种电子系统，它可以用于数字化和应用操作系统处理器。在小型化和可编程的数字文件存储器应用方面发挥重要作用。应用程序的存储，执行各种控制或运算（逻辑、算术等），内部自动化、计数等都是可以通过它实现的功能。除此之外它还可以通过数字来模拟输入输出信号，从而实现对机械或生产过程的控制；"易于与整个工业控制系统连接，易于扩展功能"是可编程控制器及其相关外围设备在设计中应遵循的原则[2]。模块式和箱体式是按结构进行的一种分类。箱体式PLC可进行箱体的扩展，从而实现更多点的控制，但电源的使用效率不高。模块式PLC是进行细分模块，模块的内容单一，但功能性强且种类多，有利于进行相应模块的扩展，达到更高的使用效益。1.3机械手简介机械手是智能代替人工的一个产物，主要驱动、执行、控制部分共同组成。执行操作系统中，机械手臂能抓住或转动释放各种产品，实现各种机械操作系统的定向运动，由机械手臂，手腕和手部组成。驱动控制系统主要有液压，电动，气动和动力机械四种形式。机械液压，电动，气动，机械手属于按机械驱动操作方式划分;特殊电动机械手和特殊通用电动机械手两种则是根据驱动应用领域范围不同;点对线位置运动控制和连续轨迹运动控制两种机械手的区别，则是根据轨迹运动控制轨迹位置的控制驱动方式的不同来进行细分。2翻浆机械手及其控制装置2.1翻浆机械手的结构2.1.1翻转装置的结构通过对本次机器设备将处的工作环境进行充分的了解和分析，综合所有的因素考虑，设计一个PLC控制翻转机能够满足自动控制翻转，且具有实用性价格低廉，结构简单操作方便的功能。翻转机构的结构大概如图2-1主视图。图2-1主视图2.1.2翻转装置动力选择通过对翻转机适用的几种驱动方式的比较，本次设计要实现自动控制翻转性价比高、结构简单的要求同时考虑到陶瓷工厂的工作环境，故选用气压驱动方式为动力源[2]。图2-2翻转机驱动方式的比较2.1.3机械手方案的选择1)直角三轴坐标移动结构系统是一种新型机器人移动系统，可以在XYZ3D坐标系中的任意点到达并遵循可控制的轨迹。有一个自由空间运动，每个空间运动自由之间的每个空间运动角度为一个直角。自动控制所有机械动作根据应用程序运行且之后可自动重复进行编程;它通常由自动控制管理系统，驱动控制系统，机械系统，操作控制工具等主要部分组成。灵活，多功能，可以同时通过应用工具手动操作的不同方式实现不同的应用功能。且产品具有良好高可靠性，高传动速度和高测量精度。能够有效代替企业人力资源适应恶劣的企业工作生活环境，可以长久的时间坚持工作，易于操作和维护。2)圆柱坐标型空间尺寸小，运动范围大，结构简单，刚性好。3)椭圆球(极)是球坐标型型它具有两个球体转动时的关节和一个球体移动时的关节，构成一个球缺椭圆形状的球体工作运动范围，内部空间尺寸较小，工作运动范围大，但是内部结构紧凑复杂。4)运动关节型电机具有5〜6轴的最大高度运动自由度，几乎可以适用于任何运动轨迹或机械工作时的角度;并且可以自动完成机械工作的完全高度自动化，而不是许多不完全适合任何人类自动完成的复杂工作，对复杂机械工作的健康有害;并且可以大大提高整个生产线的效率，错误率和控制率，自由进行编程;但是由于价格高，成本高。图2-3机械手的几种基本结构形式通过对比综合考虑，认为圆柱坐标型易于维护，可以完成升降、伸缩等动作的性能符合要求且性价比高，故本次机械手翻转机设计选用圆柱坐标型。2.1.4翻转气缸的选择目前市面上关于翻转气缸的种类还是比较多的，日常生活中比较常用的还是齿轮齿条式、螺旋活塞杆式及叶片式。本次设计选择几款比较经典的180°翻转气缸，结合实际使用情况和性价比考虑上，经过对比几种翻转气缸图2-4至图2-6，最终选择图2-4所示的HRQ系列。图2-4HRQ系列摆动回转旋转气缸HRQ1A图2-5QGK系列齿轮齿条摆动气缸QGK63X180-S图2-6新款叶片式旋转气缸CRB2BW20-180S2.2翻浆机械手设计本次设计的机械手即：机械手爪张合；机械手腕部回转、旋转以及臂部伸缩、升降。为5自由度。2.2.1夹取机械手的典型结构1）楔形杠杆夹钳：利用楔形和杠杆实现夹持器的松开和打开，从而抓紧工件。2)溜槽式式夹具：当活塞向前快速移动时，溜槽夹具推动后的夹具可以穿过活塞销钉以使其合并，从而起到产生夹紧力的作用和增大夹紧力。当电动活塞向后快速移动时，松开活塞夹具。3)连杆爪：在传动活塞，连杆和传动杠杆的配合作用下，该连杆爪可以使爪内部产生横向夹紧(松弛)横向运动。由于该车杠杆的增强受力运动作用，该车的爪子有可能不会产生很大的夹紧的应力。通常与其他弹簧部件结合一起使用。4)自动活塞齿轮放松活塞链列齿条自动放松夹持器：该活塞齿条自动夹持器将自动活塞链轮齿条自动放松推过活塞齿轮驱动活塞，齿条转动可以直接带动齿轮活塞链条齿轮快速自动旋转，从而用户可以直接导致活塞齿条通过夹持器自动放松夹紧并快速自动释放活塞齿条进行动作。5）平行杆爪：平行四边形机构，可以在没有导轨的情况下保持平行运动，并且爪的摩擦力比带有导轨的平行移动爪的摩擦小得多。由于本次设计应用于陶瓷生产工业化，工件模具通常是圆柱体，需要较大的夹紧力，故本次设计采用滑槽式手爪结构。2.2.2夹取机械手的手部设计1）手爪设计分析根据工厂内模具的形状重量考虑，本次机械手的结构设计如图2-7图2-7手部的结构和受力分析图对机械手进行受力分析，3对2有向上的拉力F，经过o点对1产生反作用力F1和F2。当=0，=0，当=0，hF=所以当不变时，随角增大而增大，同时角的大小的决定拉杆的行程和手部的结构。所以本次设计中取值=~。2）手指对陶瓷模具的夹紧力（2-1）安全系数的取值范围1.2-2，本次设计选用1.5；考虑到惯性力的作用，工况系数，取1.02；方位系数取0.5，设模具重30kg，取a=50mm,b=100mm，<<，将数据带入公式2-1得夹紧力=306N驱动力公式=918N取机械效率，=1020N确定液压缸得尺寸（2-2）图2-8液压缸的内径尺寸图2-9液压缸工作压力带入数据计算D=0.041，根据图2-8选择液压缸的内径为D=50mm，活塞杆直径d=0.5D=25mm，为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm，手指长80mm，它的最小夹持半径取=30mm，最大夹持半径=8080机械手的夹持半径从30~80mm。2.2.3弹簧的设计本次设计中弹簧的作用就是控制手爪的松紧，属于常开式的夹紧装置，故选用圆柱螺旋弹簧如图2-10。弹簧在压力油作用下压缩，从而松开手指。图2-10圆柱螺旋弹簧弹簧钢主要有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢以及铬钒钢几种较为常用[11]。其中硅锰弹簧钢的力学性能良好，也可在高温情况下使用，故本次选用硅锰弹簧钢，许用切应力，旋绕比C=8。则根据安装的需求取D=42mm，则计算弹簧丝直径（2-3）代入数据得到d=7mm，计算弹簧圈的有效圈数： （2-4）代入数据运算得n=2.86，取整n=3，弹簧的总圈数圈，，，。本章小结：本章主要完成了对机械手结构、翻转装置及动力的选择，确定机械的方案，以及翻转气缸的对比选择，机械手的手部设计。３翻转机构控制系统的设计翻转机械手的工作流程：电机启动从起始位置开始，下行至模具所在位置，通过机械手夹紧模具，带动模具上行到指定高度，随后机械手将模具正转180度，定时30s，再右行至指定位置，机械手松开模具，左行远离模具，机械手反转180度，复位。3.1PLC的原理简单的说PLC就是一种可以控制数字式运算在各种场合中的使用中发挥主要的作用的电子系统。主人设置的程序指令通过存储器，利用这些指令来完成对逻辑运算、延时定时、顺序操作、计数及其他算术运算等。各类机电结构的一体化控制可以通过数字模拟输入/输出方式来进行。PLC还因其具有程序可变、可靠、抗干扰能力强、功能性好，性价比高、体积小，能耗较低等优点，特别重要的就是易学、简单易操作、价格便宜等优势，使得PLC产品具有非常广阔的市场应用前景。3.2PLC基本结构CPU模块、输出/输入模块以及编程软件是一起组成PLC缺一不可的基本结构[3]。通过利用PLC对机械手的状态进行判定，从而达到对机械手自动化运行进行控制的目的，同时为机械手自动化控制提供强有力的支持[4]。我们通常通过考虑一个机械手的全部动作的周期来确定所需的PLC的控制系统，伺服系统在设计时就比较麻烦点，需要从输入和输出(I/O)点，存储容量和控制功能的选择等多个方面考虑。比如在选择PLC的型号方面，又或者是触摸屏的几种模式，以及分配I/O的地址和自动编写PLC控制程序，这样就可以经常使用电气系统来实现对一个机械手的控制。该控制系统可以通过单片机或PLC来控制电磁换向阀与气缸等，从而达到实现各种动作的目的。如果我们使用了单片机来控制一个电磁阀，而因驱动的电流较大且该工作电压上的电磁阀电压远大于单片机电压，为安全和实现控制这就要设计一个控制电路在电源接口中，同时设计好相应的防护如干扰和可靠等。用PLC来控制一个电磁阀，我们可以忽略这些问题[5.6]。在今天PLC的控制技术发展欣欣向荣，这就意味着在不久的将来先进的控制算法嵌入PLC传统控制系统将会是PLC的发展趋势。在本设计之前，关于模糊控制和预测控制算法的嵌入课题已经有人做过相关的研究，先进控制算法在PLC中逐渐发展成新的趋势[7]。在工业机械手方面应用PLC已经不足为奇了，这些都为研究PLC在控制方面的条件提供很多参考工作条件[8]，可以让控制器之间的信息可以相互交流。3.3PLC的设计3.3.1PLC的硬件设计为了实现机械手自动控制翻转的功能，本次自动控制翻浆机采用PLC在伺服电机中的应用作为控制系统[10]。伺服电机负责能量转换的工作，不仅转换效率高，其结构还简单，是伺服系统的核心。同时伺服电机在自动控制系统中也占据重要地位，作为执行环节的伺服电机，可以接收信息并调整和优化机器的运行所以也叫执行电机。如今PLC的厂商遍布全世界，据了解有两百多家。提到PLC人们就会想到西门子、三菱、欧姆龙等等这些应用最多的。不同厂家的出品的PLC所需要的指令也是不同的，他们有特定的编程软件和特定的编程语言。根据本次设计的目的，PLC选择西门子公司S7-200系列中的CPU226。PLC输入输出接线图图3-1PLC输入输出接线图I/O串口配置综合考虑设计所需的自动控制系统要求进行I/O口的分配和PLC的资源分配，具体情况如表3-1I/O分配表，表3-2资源分配表。表3-1I/O分配表数字量输入分配表数字量输出分配表名称PLC地址外部编号名称PLC地址外部编号启动I0.0SB1水平脉冲Q0.0PUL1停止I0.1SB2垂直脉冲Q0.1PUL2急停I0.2SB3水平方向Q0.2DIR1自动手动I0.3SA1垂直方向Q0.3DIR2回原点I0.4SB4正转Q0.4KA1水平原点I0.5SQ1反转Q0.5KA2垂直原点I0.6SQ2夹紧Q0.6KA3右行到位I0.7SQ3自动运行指示灯Q0.7HL1下降到位I1.0SQ4故障指示灯Q1.0HL2旋转原位I1.1SQ5原点指示灯Q1.1HL3旋转到位I1.2SQ6水平手动前行I1.3SB5水平手动返回I1.4SB6垂直手动前行I1.5SB7垂直手动返回I1.6SB8旋转手动正转I1.7SB9旋转手动反转I2.0SB10夹紧手动I2.1SB11松开手动I2.2SB12水平伺服故障I2.3ERR1垂直伺服故障I2.4ERR2旋转故障I2.5FR1表3-2资源分配表初始位置步骤M0.0下行步骤M0.1夹紧步骤M0.2上行步骤M0.3正转步骤M0.4定时步骤M0.5右行步骤M0.6松开模具步骤M0.7左行步骤M1.0反转步骤M1.1复位步骤M1.2水平完成M2.0垂直完成M2.1水平发脉冲条件M3.0垂直脉冲条件M3.1等待定时T37预设180S夹紧定时T38松开模具定时T39水平发送脉冲数VD0预设20000垂直发送脉冲数VD8预设10000设定L距离VD100设定没mm脉冲数VD104设定H距离VD108设定垂直每mm发脉冲数VD112手动水平参数移动距离VD120手动垂直移动距离VD128发送脉冲浮点数VD200自动手动移动距离VD300自动手动垂直移动距离VD304水平速度设定VW4垂直速度设定VW12手动水平速度VW124手动垂直速度VW132水平速度VW144预设1000垂直速度VW152预设1000主电路图以及控制电路图结合设计需要，设计的图3-2主电路图及图3-3控制电路图图3-2主电路图3-3控制电路图3.2.2PLC的软件设计为了保证各个元器件与寄存器空间的利用率，在PLC的软件设计方面，通常采用经验设计法或顺序控制法。经验设计法顾名思义就是根据经验来进行设计，对设计者本身的要求较高。相比之下顺序控制法更简单好操作，对设计者本身的要求不那么高。所以本次翻转机的PLC设计决定使用顺序控制法，顺序功能图如图3-4所示。图3-4翻转机械手控制顺序功能图以图3-4所示的翻转机械手控制顺序功能图为方向设计程序。本次自动控制程序设计主要分为主程序、参数设定、水平发脉冲、水平停止、垂直发脉冲、垂直停止、水平垂直发送脉冲数计算、动作步骤、INT-0、INT-1这几个块。具体程序见附录一。本章小结：主要完成机械手控制翻转的控制系统设计。主要是关于硬件还有程序的设计。内容涵盖电路、外部接线以及顺序功能图、I/O口配置等等。4机械手传感器的选择4.1机械手上传感器的选择传感器实际上就是一种能够根据某一个规律来感测所要检测得的数据和信息，把所要测量得到的数据直接转化为无线电信号或者其他必要形式的数据进行输出和检测的设备。既同时又可以充分地满足对信息的传输，处理以及数据存储等功能，也可以满足显示，记录和控制的要求。根据被测量检测的具体特性，我们一般可将测量传感器大致可以划分三类为各种物理学测量温度传感器，化学学测量温度传感器和各种生物质测量传感器等，其中属于物理学测量级的传感器也大致可细分为各种种类机械测量传感器，热测量传感器，电传感器，磁通量传感器和各种光学运动传感器[9]。霍尔效应传感器实际上就是在力和洛伦兹力的相互影响下，经过磁场中半导体片的电流通过偏移产生电位差，因此也称磁场效应传感器。电位差的变化同时也引起磁场的实际运动强度改变。磁场强弱与电压高低成正比关系，同高同低。这种电压通常很小，最大也志达到几毫伏，要把霍尔电压范围放大得达到足够多，可以借鉴集成电路在这方面的经验，即通过信号放大器将电压信号放大。为了将霍尔IC用作传感器，必须改变磁感应强度。为保证正常工作霍尔效应传感器通常需要外部连接的电源，因此能够检测到低速运行。本次在机械手上的传感器采用霍尔传感器用来检测机械手是否到达任务中指定位置a点和b点。4.2平台上的传感器选择压力测量传感器主要可以分为采用传统的微型压力测量传感器和半导体式微型压力测量传感器的这两类，是目前国内使用最多的一种压力测量传感器。传统的内部压力变形传感器主要原理是在压力设备的内部机械传动结构设计基础上，通过对内部弹性元件的压力变形运动进行压力指示作用来精确控制内部压力，但因为它的机械结构简单尺寸大，重量相对较轻，而且又无法向压力设备内部提供大的动力和能量输出。随着工业现代化的脚步，半导体空气科学检测技术在不断地进步，半导体式空气压力温度传感器也就应运而生了。它的主要技术特点之一是它的结构体积小，重量轻，精度高及对于各种温度控制反应特性优良。结合本次设计的目的采用传统压力传感器来检测指定位置a点和b点的平台上是否存在着模具。５结束语本文完成自动控制翻浆机的控制系统设计。设计较为稚嫩，主要通过PLC的程序设计，简单的实现机器代替人工进行陶瓷模具翻转的功能，达到自动控制的目的。设计的灵感来自大三做过的机电一体化设计，通过查阅资料了解翻转机的设计，也找到翻转机在其他领域的应用，如近几年的自动控制垃圾翻转车，这些都对本次设计有很大的帮助。机械手的出现设计大大改变一些机械设备繁重的形象，在工业领域不断的蓬勃发展更迭。本次设计完成的翻浆机械手优点是可以单独使用也可以作用在流水线上，同时降低生产成本，极大的方便了工人操作。本次设计的机械手其实也是模具转移的一种，只不过是基于陶瓷生产做出的创新。课题源于生活，生活中确实遇到过需要机械来代替这种工作，考虑从陶瓷工人受教育水平不高出发，故程序部分采用简单的自动控制编程。本次设计虽然达到预期效果，但编程设计较简单，无法满足更高级的操作。对于上述问题目前国内开始趋向