【《基于PLC的下料液压机械手控制系统设计》8600字】

基于PLC的下料液压机械手控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u312431引言 IV1引言在将来，机械臂将逐渐替代传统的机械，使人类的生产力得到极大的提升，并且使工业的生产更加智能化。机械臂是一种工业机械手，它的出现极大地改变了工业生产，并已成为现代工程生产的一个重要组成部分。机械手的发展速度很快，原因很简单：一、机械手能够按照特定的工业生产工艺需求，实现特定的操作；二，机械手可以代替人在高温、高压、恶劣的工作环境中工作；三，机械手的工作效率比人工高，而且错误率要比人工低得多。所以，机械手臂在各国都受到了极大的关注，研究出了一种更加先进，更加智能的机械手。通过对机械手臂的研究和控制流程的优劣进行了分析，给出了机械手臂的新型控制策略。该系统以PLC为控制核心，通过液压推杆与电磁阀的结合，实现机械手的运动，使其有规律的进行工作。并根据其控制系统的信息，向执行器发送命令。该控制系统以西门子S7-200SMART为主要控制器，从机械手的不同操作极限位置上获取输入和输出的信号，从而实现对PLC的控制。2系统总结设计本论文所研制的机械臂系统由系统输入，执行机构，驱动机构，控制系统，定位系统等构成。它的体系结构见图2-1。图2-1系统结构框图图2-2，2-3中显示了机械手的控制流程。图2-2系统控制流程图2-3机械臂系统示意图如图所示，按下起动键，输送机开始工作，待工件与光电开关接触时，输送带停止运转，机械臂在起始位置时伸展，当与延伸极限I0.0相接触时，机械臂开始向下，当与下降极限I0.0相接触时，机械臂开始向下移动，在与上升极限I0.2相接触时，机械臂开始收缩，机械手向右转动，当机械手臂向右转向极限I0.5时，机械手开始伸展，当与延伸极限I0.0相接触时，机械手臂开始向下移动，在机械手臂降低至下降极限I0.3时，机械手臂经过一段时间的延迟后，机械手将被夹紧的工件放在工作台上进行处理，机械手臂放松后，开始向上，在与提升极限I0.2接触时，机械手臂开始回缩当收回至收缩极限I0.1时，机械手臂向左转动至起始位置以完成一周期。本系统主要由传感器，按钮，PLC，触摸屏，伺服驱动器，伺服马达，气动装置等构成。按键、传感器的外部信号经输入装置输入PLC，再经触摸屏传送操作信号，机械手完成操作。工作信号通过输出装置输出到X、Y、Z轴的驱动装置或电磁阀，驱动X、Y、Z轴的伺服马达或起动装置，最终驱动机械手完成相应的操作。图2-4硬件系统结构设计图S7-200SMART系列PLC在经济上也是目前使用范围最广的PLC，它的成本低，体积小，性价比高，抗干扰性能好，后期维护也更加的方便。以下是硬件系统的各部件的功能。（1）PLC控制器：本项目的操纵者为西门子S7-200smarttPLC，它通过PLC从输入端接受信号，并对输出端进行控制。该输入装置的信号包括一个按键切换信号，以及一个定位信号，该信号由各个轴传感器构成。输出端的输出信号用于对X、Y、Z轴、Z轴的伺服驱动进行控制。（2）触摸屏：本论文选择了WinCC型触摸屏作为上位机状态监测系统，对操作员进行监测。在整个监控系统的操作中，触摸屏是一个非常关键的环节，它包含了显示屏配置软件和PCAccess软件。PCAccess是一种在PLC和WinCC之间的中间程序，它的作用是把PLC的参数输入到WinCC中，再通过WinCC来完成图形的设计。（3）感应器：主要是监测、反馈机械手的位置，并将其反馈至PLC，以确保机械手的动作准确度，并改善机械手的动作定位。（4）马达：主要带动传动轴的动作.（5）电磁阀：利用液压驱动，操作机械手完成对工件的抓取、装卸。（6）机械手：主要的受控对象，在整个操作过程中，操纵机械手上下、左右运动，顺时针方向、逆时针方向转动、抓取工件。3基于PLC控制系统硬件设计3.1系统控制原理3.1.1I/O分配表图3-1中列出了PLC的操作程序输入分配表格。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I1.1图3-2中列出了PLC操作机械手的输出分布。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Q0.43.1.2PLC软件编程元件本设计采用了SIMATICS7-SMART系列PLC作为本设计的主要硬件，在程序设计中所采用的组件见表3-3。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3.2限位开关选型限位开关是一种按钮的一种，它适用于各种不同的控制方案。限制开关（或冲程开关）不同于常规按键，它的控制电源为机械装置，而不是人为。当装置运行到一定的位置时，根据机器的运行轨迹，启动限位开关，使其响应，从而改变机器的运动路径。总之，该限制开关能够完成对机器的自动启动、停止、变向等动作的控制。限位开关主要包括：由机械设备直接触发的直动型限位开关，由机械摆锤间接触发的单轮旋转限位开关，以及单轮限位开关的升级版（双向触发）的双旋转限位开关。本发明所使用的是直动式限位开关，其结构见图3-1。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活动装置的挡板与直接驱动的限制开关的顶杆相碰时，推杆会向下运动，这时，限制开关的常闭触头会打开，而在隔板被移开之后，由于弹簧的作用，限制开关的相应触点恢复到初始状态。目前国内有很多厂家生产限位开关，本次设计选用德力希LXK3-20S直动限位开关，其工作电压为AC220V，额定电流为1.6A，符合本次设计要求。3.3光电开关选型光电转换器包括发光器件和接收器件。它的工作原理是在发射和接收两个方向的光束被运动的物体挡住时，会触发光开关。光电开关是一种广泛用于机械手臂动作限制、记录运动次数和检测材料位置的无接触开关。根据光探测的形式，可将其划分为：有光对射、反射、夹角型、光导纤维型等。本设计中使用了对射式光转换器，这种光转换器通常包括发射机、接收机和探测电路三部分，发射机和接收机在同一水平面上相对设置，发射机发射光束被接收机接收当有物体通过时接收机的透光率发生改变它的工作原理见图3-2。图3-2对射式光电开关工作原理图该产品采用E3F-20C1/20L，它的工作电压在6-36V之间，最大的范围是30CM-20M，它的优点是可以探测到更大的范围，更准确地探测到更多的材料，从而达到了检测的精度和距离。3.4电动机选型本论文所设计的电机主要用于驱动机械手的左右转动，由于机械手自身的重量，所携带的物体也会有一定的重量，在转动时不能过快，因此对电动机转矩有一定的要求，因此本设计采用了减速电机来实现机械手的左右转向。减速电动机通常有直流减速器和交流减速器，本设计中所使用的是交流减速器，其主要结构是交流电动机和小型齿轮减速器，齿轮减速器可以提供相对较低的速度和较大的扭矩。同时，不同的减速比能提供不同的速度和扭矩，从而扩大了其应用范围，适用于不同的工业，具有体积小、噪音低、功耗低、耐用等优点。本次设计选用YS-70KTYZ型交流变频电机，该电机能满足本次设计要求，其主要参数见表3-4。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该机型能满足本设计中的机械臂左右转向的需要。3.5电磁阀选型电磁阀是一种电磁感应线圈，永磁铁，传动机构等构成。在工业控制中，常用的是气动阀门、液体闸门等。由于电磁阀具有优良的工作性能，因此它被广泛地用于气动和水力两个领域。电磁阀有许多种，如二位三通电磁阀、二位四通电磁阀、二位五通式电磁阀等。不同的电磁阀适用于不同的工作环境，这一次的设计主要是两位四通电磁阀，二位五通是电磁阀和二位四通电磁阀，两者的控制效果是一样的，只不过二位五通是电磁阀，更适用于气动控制系统，气体可以通过电磁阀直接排出，无需再循环。二位四通电磁阀，也叫换向阀，是一种比较适用于水力领域的电磁阀。它的主要特点是能够很容易地对液压油进行再循环利用。二位四通电磁阀的工作原理（见图3-3)，在电磁阀断电时，液体从B端口流入液压缸，从A端口流出到液压油缸，这时，液压杆位于初始位置。图3-3电磁阀工作原理在电磁阀线圈上电后，液体从A孔流到液压缸，从B孔流到液压缸，这时，由于压力的作用，液压杆被拉出，在电磁阀断电时，由于弹簧的作用，液体流到B端口进入A端口，从而使液压杆回到原来的位置，见图3-4。图3-4二位四通电磁阀工作原理图本设计采用DSG-02-2B2-A220-DL两相四通电磁阀，其工作电压为AC220V，具有自复位型电磁阀的优点是在电磁阀上电时，液压杆可以伸出来，在电磁阀通电时，它能自动复位，达到了本设计的要求。3.6PLC控制系统硬件接线图PLC的外部接线图是一种能直接显示外部线路的工作原理的图形。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系列编程软件是用来制作标准的PLC软件，它可以用面向电气工程师的梯形图逻辑系统编程，也可以用来编程语言和表格逻辑，也可以用来编程适合于电气工程的模块逻辑。软件的主要功能是对用户程序进行编译、调试、运行和实时监测。4.2控制系统工艺流程机械手的控制流程主要包括抓取物料、移动物料、放置物料。机械手臂用于自动生产线上，主要用于抓取输送来的材料，提升后进行转向移动作业，把材料放在材料处理平台上。在搬运材料时，机械手的操作主要包括：在输送皮带输送材料时，机械手通过传感器获得材料的位置信息。转动到输送带的角度。在接触到极限开关后，机械手从支柱上向下，带动机械臂向前延伸。当机械手抵达材料所在的位置时，机械手的机械臂会根据指令向下进行抓取，当材料被夹住后，机械手的手指部分会触发限位开关，使其上举。当机械手抬起到一定的高度时，机械臂会向后一收，柱子会转动，带动机械臂向右转动。在伸出、回缩、上升、下降、左、右转动的限位上，通过可编程控制器的限位开关对机械手的运动限制进行控制，使机械手能根据预定的运动轨迹完成预定的操作，并在图4-1中示出了一个周期的循环机械手的控制流程。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程序，点击“新项目”，然后点击新建选项，然后在弹出的对话方块中重新命名“毕业设计”，见图4-2。图4-2项目创建4.3.2系统块设置在编写软件之前，还需要设计一个程序的系统块，这个块的主要作用是选择CPU的型号。二是设定CPU与可编程控制器之间的通信，采用以太网接口通信和RS485接口通信，本设计采用了以太网接口通信。其具体操作方法如下：（1）在新项目下拉菜单中发现CPU的图标，该图标CPU型号是ST20，点击CPUST20。（2）在弹出的“系统模块”对话框中找到CPU，在下面的菜单中，可以看到“CPUSR30”，这是本次设计所需要的CPU型号。（3）点击通讯，选择Ethernet端口通讯并设定IP地址“192.168.2.1”，将子网屏蔽设为“255.255.255.0”，IP地址设定为与PC相同的IP地址，只有当PLC与PC的通讯地址处于相同网段时，PLC与PC间的通讯连接才能实现。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项目的主要软件按实际应用情况分为两大类：自动控制软件和人工控制软件。人工控制程序主要是在设备运行的早期阶段，进行各种操作的调试。该系统的自动控制程序，主要是为了设备的长时间使用，确保人工控制系统的安全和长时间的稳定操作。4.4.1符号表的建立符号表的功能是用来统计所用的变量，可以在软件中改变符号表中的变量，也可以记录所用的变量，这样就能更好地理解控制程序的操作，也能更好地了解控制程序的工作状况。当建立专案档案时，符号资料表会自动产生，所有的资料都需要做些改动。符号表格的建立过程是在一个项目的下拉条上点击一个符号表格，然后选择一个I/O符号，见图4-5。图4-5符号表创建符号表按照输入输出的指派表格进行修正，修正后的符号表格见图4-6。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主要由两个主要部分组成：起动自控程式和起动人工控制程式，当自动控制程式开始时，人工操纵程式不能发动，同样，当人工操纵程式发动后，自动控制程式也不能发动。在开始编程时，要将自动开始和手工开始的程序行程进行互锁，从而避免了在自动程序的操作中不能触碰手动控制程序的按键而造成的干扰，同样地，在手动控制程序被触发时，也可以避免对自动控制程序的操作过程的干扰。图4-7手动/自动启动程序根据程序的需要，由于自动操作指示灯条自锁定的开关触头Q0.2被关闭，自动操作指示灯Q0.2被打开，自动操作指示灯的正常关闭触头部分打开，自动工作指示灯将继续通电并被连接到自动控制程序，这时，由于自动工作指示灯常闭接触Q0.2是关闭的，因此，在手动起动按钮被错误地触碰时，手动起动操作指示灯不能被打开，仅在按下停止键I1.1时，自动运行指示灯关掉电源，Q0.2常闭触点恢复正常时，才能开始手动起动。4.4.3手动控制程序设计人工控制程式是在初始阶段的调试阶段，其控制过程是按下机械手各操作的起动按键后，机械手进行相应的操作，具体的编程见图4-8。图4-8手动伸出回缩当手动操作键I0.7被按压时，手动操作指示灯Q1.0打开，操作手进入手动操作过程，当手动延伸按钮I1.5被按压和维持时，操作臂执行延伸操作，而当按键I1.5被释放时，机械手臂执行回缩操作。图4-9手动上升下降在手动升降键I1.6被按压和维持的情况下，升降螺线管阀门Q0.3被电，机械手执行下降操作，在释放手动升降键I1.6的情况下，升降螺线管阀门Q0.3断电，并且机械手开始向上运动，具体的编程见图4-9。图4-10手动左转右转当手动左转向键I2.0被按压时，电机左转向电磁阀Q0.4获得电力，机械臂向左转动，当与左侧转向的最大限制值I0.4相接触时，左侧转向限制I0.4常闭点，使左侧转向Q0.4不通电，使机械臂向左侧转向，其原理与左侧转向基本一致，具体步骤见图4-10。图4-11手动夹紧放松在手动夹持放松键I1.7被按压时，I1.7常开点关闭夹持电磁阀Q0.6获得电力，机械手执行夹持操作，在松开手工夹持桑松键I1.7时，使螺线管断电机械手放松，具体过程见图4-11。4.4.4自动控制程序设计自动控制程式是一种在自动流水线上长时间操作的程式，其过程是：按下自动操作起动键后，自动操纵装置按下自动操作键，使机械手按预定的运动路线进行周期性的循环，自动控制的起动条件是：在机械臂在操作原点时按下自动控制系统起动键。图4-12自动控制程序局部在该系统符合自动控制的起动条件时，自动起动指示灯Q0.2得到电流，从而使自动操作指示灯常开触点Q0.2上电后中间继电器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骤的操作，而M0.2中间继电器的常闭触头被切断，从而使中间继电器M0.1断电，其目标是消除前一步骤的干扰，从而改善其稳定性，使其进入周期性的循环操作，在此，中间继电器M只代表每个操作的一个中间变量，在图4-12中示出了一个特定的过程。该自动控制系统实施周期的条件是：在机械手进行到操作的最后阶段时，中间继电器M1.5被打开，将系统的最后步骤作为循环控制系统的初始起动状态，从而使控制系统的周期结束。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指在机械臂突然停下来时，机械手突然停止，机械手的动作可以恢复到原来的位置，机械手的突然停止有两种情况，一种是机械手在左侧转向限制位置，另一种是机械手的左手不在限制位置，当机械手突然断电时，由于所有的电磁阀都具有自动复位的功能，所以在停电时，机械手的手会重新回到原来的位置，而控制左右旋转的马达却不会返回原来的位置。图4-14复位程序报警功能是为了在程序运行期间发生故障时能使装置暂时停止工作，并点亮警示灯作为报警的功能，具体步骤见图4-15。图4-15报警程序4.5控制系统仿真与调试通过编制完整的机械臂控制系统的软件，利用STEP7模拟软件对所编写的控制系统进行模拟，该软件的优势在于无需CPU硬件即可实现编程，从而了解所编写的机械手控制系统有无逻辑误差，从而加快了开发的速度，保证了软件的稳定运行。4.5.1仿真软件设置首先，开启STEP7-MicroWINSMART编程软件，点击输出，在下拉菜单中选中“导出POU”，导出模拟专用AWL文件，再把模拟文件改名为“毕业设计仿真”，具体操作见图4-16、4-17。图4-16仿真文件导出图4-17仿真文件重命名其次，开启模拟软件，点击“程序”，点击“装载程序”，选取输出的模拟文件，完成模拟程序的加载，具体操作见图4-18。图4-18仿真文件装载4.5.2主程序仿真主要模拟程序由两部分组成，一部分是自动控制的起动和人工的起动两部分。该自动控制程序模拟了在按下自动起动键I1.0的情况下，在输送皮带Q0.7起动的情况下，自动操作指示灯Q0.2被点亮，并且在图4-19中显示了特定的模拟。图4-19自动启动程序仿真手工操作程序是在手动起动键I0.7被按压时，手动操作指示灯Q1.0被点亮，图4-20中所示的特定模拟程序。图4-20手动启动程序仿真4.5.3手动控制程序仿真人工控制程序的起动条件是，在手动起动键I0.7被按压时，机械臂的手动伸长按钮I1.5被压下，缩回电磁阀Q0.0被伸出，电气机械臂执行延伸操作，在图4-21中示出了特定的仿真。图4-21手动伸出仿真当手动升降键I1.6被按压时，升降螺线管阀门Q0.3被电，操作臂执行下降操作，在图4-22中显示了特定的仿真。图4-22手动下降仿真4.5.4自动控制程序仿真该自动控制系统的程序是：按下自动起动键I1.0后，程序进入自动控制程序，输送皮带工作，进入到第一阶段的自动化程序，具体模拟见图3-19。在材料输送至材料探测I1.4时，机械手臂从电磁阀Q0.0伸出，从而使机械手进入第二阶段的自动操作，具体模拟见图4-23。操作臂按预定的操作操作，并在与极限开关相接触时进行下一操作。图4-23自动运行仿真系统在完成最后一步操作时，完成了向左回转，并在第二次接触点向左回转限制时，进入下一循环周期，使控制系统达到自动工作状态。在图4-24中显示了特定的仿真。图4-24自动运行仿真部分4.5.5复位及报警程序仿真该复位步骤是：当按下复位按键I2.2机械手处于非原点时，机械手的左旋返回至初始位置，并在图4-25中显示了特定的仿真。图4-25复位仿真警报程序仿真在发生警报时传输热继电保护I1.2或转动热继电保护I1.3的情况下，停止程序操作，并打开告警指示灯Q0.1，具体在见图4-26中显示出的仿真。图4-26报警仿真5总结本文介绍了基于PLC的机械手控制系统的国内外发展现状，分析和研究了机械手的结构和控制方式，在理解了机械手的控制方式后，利用西门子系列PLC和西门子PLC编程软件进行了设计。本发明的设