【《基于PLC搬运机械手的设计》6400字（论文）】

基于PLC搬运机械手的设计摘要 31绪论 41.1课题研究的背景及意义 41.2机械手的控制方案 52控制系统选型及设计 62.1机械手结构设计选择 62.2横轴纵轴步进电机及驱动器 72.3手爪电机和底盘旋转电机 92.4控制机械手夹爪 102.5检测开关和继电器选型 113PLC控制部分设计 123.1PLC选型 123.2PLC的I/O口分配表 133.3PLC模块的接线图 153.3PLC的程序流程设计 183.4基本程序梯形图设计 194组态软件设计 274.1组态软件介绍和选择 274.2组态界面设计 28结论 36摘要机械手已经拥有相当长的一段发展历史。从最初的发明至今，机械手良好的性能和扩展性在经过无数人的改进和发展，已经使用于各个行业。本课题研制的是由西门子S7-1200系列PLC编程的控制系统，使用于控制机械手的运动，如机械手爪的旋转、机械底盘的旋转、纵轴升降和横轴伸缩，以及抓取运动。我们针对使用PLC编程程序，在结合设计的电气硬件设备的情况下，驱动机械手完成各种设定的程序动作。尤其是是两轴的精确定位和控制，同时也通过组态软件完成了对控制系统的监控。关键词：机械手；运动控制；PLC配置1绪论1.1课题研究的背景及意义机械手的发展历程久远，自最初的发明以来，其良好的性能和开拓性经过人们的不断改进已经可以应用于各个行业。机械手最初被发明出来就是为了提高生产效率，机械手的手臂与人类类似，可以按照事先指令抓取和搬运货物，实现物体的自动化操作[1]。机械手就是仿造人的手臂，为了达到行业需求成为替代人工方法而被青睐。相较于人工，机械手有以下优点。（1）机械手可以按照设定反复作业，代替人工进行枯燥、高强度的工作，减少劳动强度，实现工业自动化。（2）机械手可以在人工无法承受的复杂环境下工作。例如，辐射、高压、高温等工作环境。这时用机械手就能完成这些工作。（3）机械手具有较高的工作效率。在无故障的前提下，可以连续工作。能够满足人工无法达到的工作时长需求。能够减少产品错误几率，提高效率。综上所述，搬运机械手的优势高于较传统的人工方式。因此研究其控制系统对于工业生产的实践和发展具有重要意义。1.2机械手的控制方案图1-1图1-1为机械手结构的简易示意图机械手要求有手动和自动控制模式，同时具有系统状态的监控。总体控制设计设计方案如下图1-2所示。图1-2（1）机械手机械手由机械机械式底座、夹爪、机械臂、支架等部件组成。（2）驱动系统驱动系统主要是负责按照控制器实现编辑的指令去驱动机械手，现代工业常用的驱动源有液压式、气动传动式、电气式等三种[2]。（3）控制器控制器是核心所在，所有操作都是基于控制器来收发信号指令控制。常见的控制器有PLC、单片机、PC等。该设计采用西门子旗下的S7-1200系列，进行PLC编程、设计和调整，达到任务要求。（4）检测装置信号的检测装置包含按钮、光电开关、限位开关等信号。（5）组态组态作为计算机控制系统的核心，通过PC机安装的组态软件，方便操作是及时了解到系统报警信息，做出处理方式。2控制系统选型及设计2.1机械手结构设计选择根据本次设计的需求机械手选择电器驱动方式。电机选择影响机械手的精度。由于机械手的各个部位对于精度的要求不同，因此将选择不同精度的电机驱动。表2-2从表2-2以及机械手各个部位的精度需求以及成本考虑，本次设计使用步进电机纵横轴等精度高的部位。针对机械手的卡爪和底盘的旋转等精度不高的部位，则采用直流减速电机。2.2横轴纵轴步进电机及驱动器步进电动机是把电脉冲信号转换成输出轴的转角或转速。其工作必需由专用的驱动器把脉冲信号电压按照指定的顺序加到定子的各相绕组上。步进电动机的定子绕组两次通电之间称为步进电机的一拍。由此可以看到步进电动机的转角和外部输入的脉冲数成正比，输入的脉冲频率越高，自然它的转速就跟着升高[3]。经过对比，42BYG系列的步进电机被用作横轴和纵轴的驱动马达。42BYG系列步进电机为双相双极型混合步进电机，法兰大小为42mm，步进角1.8°，马达旋转所需的脉冲数为200一转。为了提高机械手传动的精度，选择滚珠丝杆与步进电机的相连接作为机械手的传动轴。如图2-2所示：可以达到的本次设计的精准需求。如图2-3所示图2-2图2-3步进电机驱动器采用KINCO的2M412步进电机控制器（双相双极微步型），如图2-4图2-4规格参数如表2-5所示：表2-5从图2-4可以看出驱动器只能驱动一台步进电机，因此，需要两台步进电机驱动器驱动纵横轴的步进电机。选用的步进电机为两相混合式的步进电机，所以步进驱动器的A+、A-和B+、B端子口与电机直接连接[2]。脉冲和方向两信号链接PLC的脉冲输出口，步进驱动器的电源正负极接口V+和GND端子与外部电源正负极相连接。如图2-6所示：图2-62.3手爪电机和底盘旋转电机考虑到机械手爪和底盘的旋转电机的位置控制需要使用到限位开关。所以本次选择25GA370型号的额定转速低，带有减速器的直流电机，作为手爪电机。选用42GA775系列的直流减速电机，来驱动底盘旋转所需要的高负载的旋转运动。避免限位开关受到过大的冲击。如图2-7、2-8夹爪电机及参数图2-9、2-10底盘电机及参数图2-7表2-8图2-9表2-102.4控制机械手夹爪本次设计机械手夹爪使用气动的方式驱动，控制方式如图2-11图2-11由上图中可以看出气动手爪的气路开关由气动电控阀控制，气动电磁阀的通断就完成对气动手爪夹紧/放松动作间的控制[4]。单向电磁阀示意图如图2-12所示：

图2-12单向电磁阀示意图气缸单个方向运动的控制就是使用单向电磁阀所实现的，通过它的通断，实现气缸的伸出、缩回运动。因为机械手夹爪的动作只有夹紧和放松，所以能够达到预期的控制要求[5]。至于单项电磁阀我们使用型号VF3130来控制机械手夹爪2.5检测开关和继电器选型检测位置使用光电开关检测，使用型号为SICKWT14-2P422光电传感器，它的检测距离：50～500mm,工作电压：DC10～30V，开关输出：NPN/PNP，开关频率：200/s[6]。根据控制的要求以及移动行程动作，本次采用4个Omron（欧姆龙）的中间继电器，型号为MY4NJ，来控制机械手夹爪和底盘旋转的电机。其能够支持和夹爪及电机同样的直流24V供电方式。其规格参数如图2-13图2-13本次所需要使用的驱动源、位置检测等部分的硬件选型已经完成。清单如下表2-14所示：表2-143PLC控制部分设计3.1PLC选型目前，世界上的可编程控制器繁多，而德国西门子PLC的生产历史悠久。是世界顶尖制造商。产品覆盖面广泛。S7系列从95年开始发售。经过市场的考验，其产品适用广泛，效果突出。此设计采用的PLC选型是CPU型号为1215CDC/DC/DC的S7-1200，其具有模块化的功能，面对不同的控制需求能够进行各个模块的DIY。对整体系统达到了预想的控制。其外观和构成图及接线原理如图3-1、3-2图3-1图3-2扩展模块使用的是一块SM223的DC24V模块。其拥有16个拓展IO口。接线图如下3-3图3-33.2PLC的I/O口分配表PLC控制系统的I/O分配表如下图3-4表3-4本次机械手的系统设计还有用到了循环启动、紧急停止、复位、自动/手动切换以及手动操作的输入端。当按下循环启动后机械手系统开始运转。按下紧急停止按钮后系统会紧急断开所有输入输出停止一切动作，该按钮与发生紧急事故的应急处理。按下复位按钮是对机械手各个部位的一个返回参考点的操作。该操作可以避免机械手在不同位置启动造成位置误差。输出方面横轴步进电机方向驱动和脉冲驱动采用Q0.1和Q0.0的两个端子,同样纵轴的两输出端子为Q0.3和Q0.2。机械手夹爪电机的正反转中间继电器KA线圈以及底盘电机的正反转中间继电器KA线圈则是使用Q0.4~Q0.7分别输出。输出端Q1.0作为单项电磁阀输出驱动机械手的夹紧放松。其中Q1.1~Q2.2作用于观察机械手运行状态的指示灯输出。3.3PLC模块的接线图结合PLC输出脉冲与步进电机驱动器之间的端子连接问题，以及西门子PLC连接方式共阳极（源极）和共阴极（漏极），经过查询资料及说明书介绍，驱动器和西门子PLC之间的输入输出供电电压不同，PLC电压为24V而驱动器仅为5V。所以我们需要在西门子PLC和驱动器之间加装一个2KΩ的电阻以达到降低PLC输出电压使机械手步进电机被造成驱动。如图3-5。本次采用漏极解法。其中电阻作为降压作用，驱动器与步进电机连接。有此绘制出PLC的硬件接线图。图3-5KA继电器控制机械手夹爪的正反转。其接线图如下图3-6，同时使用电器的联锁来保证安全如图3-7。图3-6图3-7下图3-8为PLC和底盘旋转电机之间的接线。图3-8下图3-9为PLC硬件之间的接线图。左边是PLC的输入端口和PLC之间的配线，右边是输出配线。因为PLC的供电和扩展模块供电相同，所以共用一个DC电源。图3-93.3PLC的程序流程设计为了方便后期的维护，PLC的程序换分成了运动模块指令和基本操作流程两个部分。设计PLC基本流程：使用位逻辑指令的思想去编写基本流程，通过对机械手的不同轴的动作流程进行解析，处于自动模式时对机械手动作的要求是纵轴上升、下降、横轴伸出、缩回、底盘左旋、底盘右旋、手爪左旋、手爪右旋[7]。PLC通过限位开关来判断机械手以及底盘的位置是否到达，必须按照一定的顺序来控制。挡自动模式下，机械手使用位逻辑控制代码控制。手动模式使用PLC功能来直接控制驱动，两个模式的组合成一套控制体系。根据本次设计的机械手运动逻辑绘制出了流程图如图3-10所示：根据刚刚给出的流程图我们利用软件设计来绘制PLC的梯形图。在控制面板上本次设置了一个急停按钮，为了防止出现紧急事故时能够紧急切断所有的输出功能，避免严重事故的发生。同时还设置了左右拨动开关来实现机械手自动/手动之间的切换，当开关调到自动方向为自动模式，同理调到手动方向为手动模式。实现本次机械手双模式操作的理念。图3-103.4基本程序梯形图设计按照绘制出的机械手运转流程图来转换成PLC的梯形图，使用STP7编程软件来编写本次的梯形图。部分程序如下。主程序：图3-11主程序段1图3-12主程序段2图3-13主程序段3图3-14主程序段4图3-15主程序段5图3-16主程序段6图3-17主程序段7图3-18主程序段8图3-19主程序段9图3-20主程序段10图3-21主程序段11图3-22主程序段12图3-23主程序段13图3-24主程序段14图3-26主程序段17图3-27主程序段17子程序：图3-28子程序段1图3-29子程序段2图3-30子程序段3图3-31子程序段4图3-32子程序段5图3-33子程序段6图3-34子程序段7图3-35子程序段8图3-36子程序段9图3-37子程序段10图3-38子程序段11图3-39子程序段12图3-40子程序段13这些程序主要是自动模式和手动模式下机械手的运转指令，包括一些机械手运转状态下的各个部位安装的监控传感器监控指示灯的控制命令。4组态软件设计4.1组态软件介绍和选择随着工业控制的不断发展，组态软件相继出现，而组态软件未曾出现之前，工控设备的状态大多数需要HMI应用来监控和反映系统去完成，如果工控系统缺少监控，其状态得不到及时反馈，就会造成操作工人对工控系统的不了解和失控状态。因此，配备品种繁多的可视化监控设备是现在控制系统的必备条件，尤其是组态软件。在众多组态软件中，组态王为通用组态软件，市面上的PLC基本都可用。工业的快速化发展也加速了各式各样的组态软件的相继开发，不仅国内，国外也同样如此。但是由于国外的组态软件是在外语的基础上开发，个别组态开发软件需要经过一系列的系统化培训才能达到熟练掌握和运用，再加上需要投入一部分的经济费用，因此在使用上会平白增加一定的难度，花费过多的精力和财力。但作为使用汉字为关键字控制得到组态王软件，不仅能够在很大程度上提供各种公司以及品种各异通讯协议的硬件驱动，而且其操作的界面非常的简单易懂，非常适合本论文设计的开发要求，所以选择使用组态王软件成为本论文进行组态软件开发的首要之选，使用版本号为6.55进行开发。4.2组态界面设计首先我们需要使用组态软件创建一个新的组态工程，第一步点击新建，出现如下图4-1的窗口。图4-1在新出现的窗口上选择下一步按钮点击，出现4-2“新建工程向导之三——工程名的描述”窗口。在这个窗口内部输入我们的工程名称“搬运机械手控制系统”以及工程描述：基于搬运机械手控制系统的烛台开发。然后在该窗口点击完成选项。此时会弹出一个是否将新建的工程设为当前工程选项如图4-3，选择是选项否者无法完成后续的开发工作。图4-2图4-3图4-4在系统见面我们首先选择COM2如上图4-3然后点击新建选项来定义来定义I/O设备是软件与PLC之间形成连接状态，如下图4-4图4-5在弹出的窗口页面点击确定选项，进入下一步设置窗口如图4-6图4-6在这个窗口页面选择设备对应的串口后，弹出新的窗口，在该窗口下输入“西门子1200plc”作为唯一的逻辑名称。如图4-7图4-7完成逻辑名称的步骤后点击下一步会出现IP地址输入界面，因为软件和PLC的IP地址必须相同所以在这个页面如果默认IP的地址和plc相同则直接选着下一步就好，如果不一样则点击地址帮组来获取设备IP信息。如图4-8图4-8至此PLC和软件的交互就建立完成了。如果无法确定是否通信成功可以通过COM口来检测PLC与软件是否存在通信行为。如图4-9图4-9通信检测没有问题后，创建新的数据词典。选择图4-4里的数据词典选项进入页面选着新建选项，选中前面连接好的设备然后点击确定，新的变量创建完成。如图4-10图4-10为了减少工作量。我们可以提前模板中输入所有的变量，然后使用软件的批量导入功能导入。如图4-11.图4-11在图4-4的页面选择画面选项然后找到新建选项双击，输入我们的操作面板名称后进入画面的开发系统。步进电机监控因为和普通电机不同不能直接监控所以使用软件程序在监控步进电机的运动状态。如图4-12图4-12在上图中可以看到利用MCReadParam的指令的调用以读取我们所需要的参数。输出的数值给定变量。在上图可以看到使用了三个端口，其中Enable作为使能，Value为变量传入端口，Paramete读取州的参数。同理做出读取轴速度的方法类似。如下图4-13图4-134.3组态界面模拟完成上步的变量新建后，就可以开始制作操控面的绘制，系统的操作基本都可以在这个面板完成。下图4-14软件绘制的操作面板布局图图4-14通过命令语言将机械手的旋转夹紧放松等动作动画相连接组成一个机械手操作时的动画效果。如图4-15纵横轴通过创建的变量连接完操作时候动画演示。图4-15整个机械手的组态开发已经完成，在机械手的操控以及运行上完成了一整套系统的组建。本章主要对组态软件进行对比和选择，使用组态软件进行组态接口的设计，展示完成的设计界面。系统监控任务完成。PLC和组态之间的通信和调试差不多完成了。结论现今快速发展的社会下，很多场合对于机械手的控制需求逐渐扩大。而对于本次所设计研究的关于PLC和组态软件的搬运机械手控制系统，不论是在机床的小型机械流水生产线上使用，还是对于整个系统的设计和调试预计，都是可以相互借鉴的。在这篇论文设计中，针对于整个机械手控制系统进行了完整的方案论证以及机械手各个部件的详细说明，特别对每个电气部分进行了设计和说明。力求提高该系统的自动化功能，减少设备使用中的过多配件使用、线路繁多超额费用等一系列问题。并且大大提高了系统的可靠性。同时兼顾实用PLC进行的控制系统在更改生产流程方面得到更方便的使用。在软件设计部分，主要着重于机械手的基本控制流程图，该社及部分主要是手动模式下，系统控制通过子程序的方式对机械进行控制。同时，为了