【基于西门子PLC的气动机械臂控制系统设计11000字（论文）】

基于西门子PLC的气动机械臂控制系统设计摘要 1 1 1.2研究的目的和意义 2 21.3.1国外机械臂研究现状 2 31.4课题主要研究内容 32.气动机械臂的控制系统总体设计与元器件选型 5 52.2系统的气动控制 52.3元器件的选型 62.3.1PLC的选择 62.3.2传感器的选择 82.4本章小结 83.气动机械臂的系统硬件设计 9 3.2PLC的I/O分配 3.3传感器的设计 3.3.1安全传感器 3.3.2光电传感器 3.3.3其他外部硬件 3.4安全报警系统 3.4.1报警系统 4.气动机械臂的控制系统软件设计 4.1软件设计概述 4.2急停控制系统 4.4机械臂抓取系统 4.5光电检测系统 4.6本章小结 21 5.2公共程序调试 25.3自动及手动操作程序调试 26 参考文献 1气缸、气动阀和压缩机组成。其优点是气体来源方便、结构较简单、成本较低、论文主要内容是对基于西门子PLC气动机械臂控制系统片等构成。利用PLC编写合适的控制程序梯形图，结合PLC进行机械臂的系统关键词：气动机械臂；可编程控制器(西门子PLC);传感器；气动阀1.绪论1.1课题背景器发展到现在的16位和32位处理器的微机。目前，PLC技术已经发展的很成2使PLC更加被工业自动化所普遍使用。结合西门子PLC,给气动机械臂编写相应的控制程序，开发出合适的机械臂手臂的动作范围和轨迹，并实现对机械臂手臂到所需环境的预期控制，气动阀通过系统控制作为动力，促进机械臂手臂达到预期的功能。1.2研究的目的和意义机械臂是近年来在工业生产中开发的一种高科技自动化生产装置，它是工程制造业机械手类的重要组成部分。主要优势是利用PLC编程来完成预期的控制任务，模拟人类的工作特征是机械臂的重要特点。尤其反映了人类的智慧和适应能力。机器臂操作的精度和适应各种环境的能力在全国工业生产领域具有广阔的发展潜力。在现在工业生产过程中，自动化生产线已经由原来的人工作，慢慢的发展为机器人工作，因其工作特点具有稳定、不怕苦、不怕危险和能接受危险环境力量强度也很强等，所以机械臂的运用受到了很大的重视。在工业生产中，机械臂运用的特点：(一)自动化生产的强度能得到有效的提高工业生产的自动化程度可以提高材料的运输、工部件的处理、工程工具的更换、零部件的组装等操作，机械臂都可以很好的运用，不仅生产率得到了提高，生产成不也大大的降低了。(二)劳动的条件以及人身安全得到了保障在极端恶劣又存在有毒气体的环境、工作空间限制、人身够不到的地方，机械臂完全能适应这类工作环境，保障了劳动工作的条件，防止人身安全受到伤害，避免了人工疏忽而导致的人身事故。(三)机械臂的运用减轻了人力，促进规律生产机械臂代替人工工作大大降低了人工成本，使省下来的人工可以去操作更加细致的工作这是一方面，另一方面机械臂可以无休止的进行工作，存进规律生产。因此，减少生产线上的人力，更能保障工作有力且合理的运用劳动生产力做更多的事情，使公司或者企业到达事半功倍的效果。上世纪40年代外国机械臂研究才开始，当时美国研究室创造了一台可控式机械臂，对于放射性物质可以有效地工作。数铣的伺服轴和遥控器杆结构与美国的乔治●德沃尔(GeorgeDevol)合并，世界上第一台机械臂问世。1978年，Devol的联合集团(现称StaubliUnimation)推出了通用工业机械PUMA,预示着工程制造业机械臂作为一种成熟类技术的发展。这种机械臂可以以“教与活”的方式3代机械臂(又称先进智能机械臂)是指第二代机械臂在信息的基础上可以进行分完全独立于人类工作，不受人工预先安排的工作。所以1.3.2国内机械臂研究现状到70年代萌芽，从80年代发展到90后的实用时期。首台机械臂诞生于20世纪60年代，当时中国的机械臂技术主要处于学习阶从80年代开始，我国机械臂研究水平从萌芽期开始到发展阶段。1986年，从20世纪80年代末到90年代，中国提出了“863”计划，确定了特种作战机械臂和工业机械臂发展的重要政策。开发了7种工业机械臂系列产品，100多种特殊机械臂，如：双腿行走机械臂、喷洒机械臂手臂等。建立9个机械臂产业化基地和7个科研基地。到目前为止，中国已能自主生产出具有国际水平的平面联合装配式机械臂、直角坐标式机械臂、焊接式机械臂等。到2009年，中国只有36.8万台工业机械臂在工作，日本为10.8%,德国为25.2%。而中国大部分机断探索。1.4课题主要研究内容4(1)基于西门子PLC的气动机械臂控制系统的整体设计，包含对系统总体(2)完成以西门子PLC为基础的气动机械臂臂控制系统的硬件电路设计，包括可编程控制器电路、气动线、机械臂臂轨道线、机械外设电路：键盘电路、(3)使用PLC编写合适的控制程序，开发合适的机械臂范围和轨迹，实现2.气动机械臂的控制系统总体设计与元器件选型黑箱结构如图1所示：压缩机作为驱动能，启动压缩机，利用气动阀的控制元件控制气体来推动机械臂工作，同时用PLC来控制气动阀调节气体大小，从而调节机械臂的速度，PLC同时也给机械臂命令以行驶运动轨迹来夹持松放工件。在此方案的基础上加载报警装置及显示屏系统，可以有效的起到防护及监测的目的，从而提高机械臂的利用率。运行轨迹气动机械臂是一种在压缩空气压力情况下驱动其运动的机械臂。其主要特点具有：媒介为气体采集方便，对于压力的输出较低抓地力为30千克左右。气体相对于其他来源速度较快，结构以及成本也相对来说较低，但是，空气的压缩性导致其工作速度稳定性降低冲击力大，因此气动机械臂适用于速度快、负载较轻、温度较高和粉尘较大的工作环境中。依据气动机械臂的行程轨迹，可以采用四个执行气缸来实现动作，通过升降气缸来完成机械臂的上下行；通过摆动气缸实现机械臂的左右行；通过伸缩气缸实现机械臂的前后行；通过气爪气缸实现机械臂爪的夹紧与松开。采用两位五通电磁换向阀，执行气缸是由两个工作□,两个排气口以及一个供气口组成，三个气缸采用单电磁阀控制，一个气缸采用双电磁阀控制。如图2所示。过滤减压阀下降上升伸出5缩回转出转回抓取释放图2气动控制回路2.3元器件的选型PLC有四个大品牌的公司分别是：西门子、施耐德、AB和通用电气。中型PLC的品牌公司：西门子、施耐德、欧姆龙、三菱。小型PLC的品牌公司：西门子、欧姆龙、三菱、LS、松下、富士。S7-200系列PLC的特点：是西门子公司制造的小型PLC它具有以下特点(1)拥有紧凑的结构(2)良好的扩展性能(3)强大的功能指令(4)成本价格低廉。扩展模块：主要有数字量扩展模块：EM221、EM222、EM223。模拟量扩展器的规模可以很方便的组成。控制模块范围较大。S7-200PLC可以很方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，以便于大规模的工程也可以完成。S7-200的编程软件：STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在WINDOWS环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求，因此而选择西门子7前盖通信口.底部端子盖一电源与输出端子顶部端子盖一状态LED存储器卡输入端子与一传感器电源端子图3西门子PLCS7-200外部结构图图3.1西门子S7-200正面图图3.2西门子S7-200侧面图82.3.2传感器的选择传感器的选择主要分为以下几点：1、选择合适的灵敏度：灵敏度越高被测量的输出信号值越大，有利于信号处理。如果当被测量是单向量且对其方向性要求较高就应该选择灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量那么应该选择传感器灵敏度小的。2、频率的响应特性：决定了传感器测量的频率范围。3、线性范围：任何的传感器都不能绝对的保证线性，其线性度是相对的，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，前提是当所要求测量精度比较低时，这使得测量更加准确且方便。4、稳定性：传感器必须选择能适应恶劣环境的。5、精度：精度是传感器的重要选择依据，它决定了整个系统的精度。通过上述传感器的选择要求，结合机械臂设计的总体方案需要，因此，我选择红外线感应光电传感器E3F-DS30C4接近漫反射式传感器。它具有防雨防潮、超强防干扰、体积小、易安装、反应灵敏等特点。本章主要是对西门子PLC的机械臂控制系统的总体设计方案及元器件的选型进行了一个全方面的完善，通过系统的总体设计方案为主要设计思路来进行设计，又对系统的控制功能与系统指标进行论述，进一步加强了系统的合理性。对机械臂各个“部位”所需要的元器件进行了一个选择，选择出了适合本课题所需要的元器件型号。同时也学到了机械臂所涉及的一些知识，对PLC及传感器有了更深刻的理解。93.气动机械臂的系统硬件设计转，气缸B可以让机械臂柱实现起落运动，气缸D可以让机械手臂实现伸缩运气缸的更换，使用交流继电器KM和中间继电器KA和时间继电器KT设计控制电路在系列中依次控制四个电磁变换阀，依次实现八个动作完成。如图4所示。复位、急停按钮、各限位共一共12个输入点，4个执行气缸三个采用双电动电磁阀，一个采用单控电磁阀，加上启动、停止、指示复位、电磁阀共10个PLC输出点。输入点和输出点的具体分布显示在表1中。输出输出PLC输出启动按钮启动指示HL1复位按钮复位指示急停按钮急停指示上行电磁阀下限位下行电磁阀左行电磁阀右行电磁阀前行电磁阀后行电磁阀夹爪关闭夹爪关闭夹爪关闭传感器是气动机械臂系统的重要组成部分，传感器在电气技术中发挥着极为重要的作用。没有传感器技术，电气技术也就无法发展，传感器相当于系统的感官器官，它可以快速准确地获取信息，并承受恶劣的环境，确保电气系统达到高水平。当今电力机械臂技术的飞速发展也离不开传感器，如果没有传感器，机械臂将难以发展。传感器对系统状态和对象信息进行自动捕捉，系统的报警和急停功能才得以实现和实施。要说机械臂是模仿人的肢体，那么传感器就是机械臂的感官系统，赋予机械臂更加真实的操作系统，本系统所使用的安全传感器，主要是装在机械臂的手臂及手指位置。如图6所示。CP线短接CP线短接棕黑蓝白棕黑蓝图6安全传感器3.3.2光电传感器系统采用安全光栅，即光电子安全防护罩，目前的工作环境是由人工和机械机器一起进行工作的，比如大型冲压机械、切割机器、装配线生产、输变电装置、危险区域(有毒、高压、高温)等工作，人工的人身安全极容易受到威胁。光电传感器发射红外光线，产生光电网络，当光线被遮挡时急停装置急停发出断电信号，从而避免安全事故的发生。光电电气安全防护装置的使用，可以很有效的避免安全事故的发生，大幅度减少经营者和第三方的危险，降低事故的综合成本，造福于公司本身、经营者和社会。图3.2.2所示。图7光电传感器近近在气动机械臂的设计过程中发现，机械臂手臂在运行中会出现抖动现象，那么为了解决这一缺陷，那么会在气动装置上安装气动电机，气动电机的工作媒介主要是压缩空气，将压力能转化为机械能的动力装置。电机具有以下特点：1.可以进行速度的非阶段性控制。通过控制空气或者排气阀的打开来调节电机的输出功率和速度，即流动的压缩空气。速度和功率可以调整，以减少机械臂的抖动。2.能够向前或向后转。大多数空气电机改变电机进出的方向的方法是使用操纵阀，可以由来调整空气电机的正反向。3.不受恶劣条件的影响，适用于禁火、禁爆、振动较大、潮湿、粉尘等不利环境下工作。安全报警系统具有高性能价格比，能做到投资少、管理高效、人员减少，利用先进技术达到战斗力。同时结合传感器系统，当机械臂手臂在操作时，人们操作错误或需要停止机械臂手臂，这一次只要触摸传感器的传感范围，机械臂手臂就会立即停止，同时报警系统报警，工作人员处理问题，不仅可以保护人们的安全，还可以节省人力，就在机械臂手臂报警过来处理它的时候。报警系统的设计还可以保护设备和产品，在设备或产品出现问题时，机械臂臂报警系统会立即停止报警，及时停止产品数量较多的损失，可以起到很好的保护和提示作用，使机械臂手臂的工作效率能够用更少的努力来完成。3.4.1报警系统这次设计的机械臂报警系统，主要有7个光电开关，可以自动检测危险问题，3S后发出报警。如图8所示。反射回路将振荡电路产生的脉冲反射，发光管发出光脉冲。当目标进入的可检测范围内时，光敏三极管反射光脉冲。电脉冲信号接收光电子脉冲，然后放大器进行放大，最后光电开关被触发，信号延迟或者不延迟触发。光电开关具有良好的复位操作性能，同时，受影响的光状态可以被自诊断系统检测到，稳定工作区域，随时监控光电开关的运行情况。有故障信号进入PLC输入端口，当故障信号存在时，相应的故障灯已打开，故障消失，灯熄。振铃只需要一个脉冲信号才能持续，因此振铃电路必须具有自锁。当发生故障时，灯会闪烁，需要使用振荡回路，当灯铃后变为恒定时，因此振荡回路同时断裂，因此振荡电路链的环和断开。故障电路具有优先性，因此当一个故障发生时，另一个故障重新出现，系统没有反应，要实现此功能，必须使用电路联锁机制。PLC的可靠性和抗干扰能力强，而LED和蜂鸣器寿命较短，我们可以使用相同型号的LED和蜂鸣器，进行按时更换，系统的性能可以得到大幅度提高，而且系统故障报警水平高，经济允许，可以添加一套系统。系统的I/O分配显示在表2中。光电检测开关1报警1(光电报警)光电检测开关2报警2(安全报警)光电检测开关3指示灯1光电检测开关4指示灯2光电检测开关5指示灯3光电检测开关6指示灯4光电检测开关7光电检测系统开始光电检测系统结束灯1光电检测系统急停灯3报警系统开始本章主要是针对西门子PLC机械臂控制系统的硬件进行了设计。主要从系4.气动机械臂的控制系统软件设计西门子气动机械臂的软件控制主要由：中央处理单元(CPU)、系统程序存储区、I/O地址区、用户程序存储区、子程序单元组成。程序开始，压缩机运行，同时PLC可以控制压缩机的功率大小，PLC可以控制模式的选择，初始模式为自动模式，在有特殊情况下可以通过液晶控制屏来进行手动控制。机械臂运行过程中出现紧急情况被光电检测传感器检测到可以实现急停并进行报警，报警位置会发送至显示屏供操作人员观测解决，急停结束后，系统进行复位，回到原点，进行重启再运行。如图9所示程序流程图。开始开始程序复位图9软件系统程序图4.1软件设计概述芯片中。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线连接到存储单元、输入和输出的，当PLC运行时，执行用户程序被CPU循环扫描。控制用户程序和数据的接受和存储，并通过扫描I/O部件接受字段的状态或数据是CPU的主要任务。存储在寄存器或者内存中，找到内部电路和编程语法的错误，在PLC输入操作状现输出控制、表打印或数据通信功能。根据PLC的CPU芯片型号不同分为：常用的CPU芯片、厂家自行设计的专用CPU芯片。PLC处理控制信号的能力和速数字数量就越高。近来CPU芯片技术在不断的进行改进和发展，PLC的功能得(2)系统程序存储区PLC制造商用来存储他所编写的系统程序是系统程序存储区，用户无法更改。它使PLC具有基本功能并完成PLC设计师指定的工作。(4)用户程序存储区程序的存放和功能的存放组成了用户存储区。用户存储区用于用户来PLC存可以是RAM(带向下电源保护)、EPROM或EEPROM内存，用户可以随心(5)子程序单元组成4.2急停控制系统紧急停止按钮，机械臂手臂恢复运行。图10显示。3网络28网络26图10急停梯形图4.3液晶显示屏系统作为西门子PLC机械臂的操作终端，机械臂的操作可以通过液晶显示屏来发出指令。(1)屏幕功能(用户屏幕功能、系统屏幕)用户屏幕功能(用户制作屏幕)(2)系统屏幕功能监控功能(3)数据采样功能(4)报警功能。本系统采用MT506TV型号的显示触摸屏。(1)可以随时的监测机械臂运行的状态。(2)可用触碰显示屏来操控机械臂，并向PLC反应程序。可以用来检测其他设备的控制比如：故障部位、报警部位以及急停状态。(3)通过显示屏可以录制或者截图成为视频或图片，功能更强。如图11内部接线图。气动机械臂的抓取系统：初始状态时，气动机械臂位于原点位置(夹爪出于松开状态，机械臂位于上行、缩回状态)。按下启动按钮I1.0后，首先机械臂伸出，紧接着手臂下行并夹取工件，抓稳后，机械臂上行，缩回，机械臂左行或者右行到位后，机械臂下行，手爪松开工件，最后，机械臂上行、缩回，回到原点位置，进行下一个周期运动。如图12所示机械臂抓取程序梯形图。夹爪打开符号夹爪打开夹爪打开按钮夹爪关闭地址注释网络9夹爪关闭符号夹爪打开夹爪关闭地址注释4.5光电检测系统西门子PLC的气动机械臂光电检测系统共有7个光电检测开关，把这些光电检测开关分别安装在机械臂的各个关键部位上。系统是把7个光电检测开关进急停。如图13光电检测程序梯形图所示。光电检测光电检测开关212.4光电检测开关312.5光电检测开关512.7光电检测开关713.1图13光电检测系统梯形图4.6本章小结本章主要是针对西门子PLC机械臂控制系统的软件系统进行了设计，对中央处理单元、系统程序存储单元、I/O地址分配、用户存储程序以及子程序进行了全面的学习。明白了CUP的作用、CUP芯片的高速发展改善了PLC的功能、存储程序和I/O地址分配提高了PLC的性能等问题。学会了使用PLC绘图软件进行绘制程序梯形图，同时也为机械臂增加了急停控制软件程序、液晶屏显示程序和光电检测系统，进一步完善了气动机械臂的性能，使西门子PLC气动机械臂更加被社会所需。5.1可编程序控制器开发工具1.Micro/Win-是西门子S7-200编程软件，用于编程SIMATICS7-200工程运行在WindowsXPSP3/Windows7上，支持LAD、FBD和STL语言。安装文件小于10MB。5.TIAPortalV15一博途TIAPortal是西门子新的编300,S7-400,S7-1500,S7-1200。(不支持S7-200CN)TIAPortal软件需要5.2公共程序调试压缩机启动压缩机停止5.3自动及手动操作程序调试PLC运行，压缩机M0.0启动，左行按钮闭合机械臂自动左移，左移时无法同理右移也是如此。机械臂分为左右结构，上下结构，前后结构和夹爪打开关闭结构，程序都可以进行自动运行和手动操作，其操作原理都与左移相同。程序梯形图如下所示。左移动符号运行停止网络3注释注释注释网络8夹爪打开M0.0夹爪打开按钮：11夹爪打开夹爪打开按钮夹爪关闭网络9夹爪关闭夹爪打开夹爪关闭夹爪关闭按钮系统报警及复位程序，在机械臂左右前后上下运行时，7个光电传感器会一直运行，在光电传感器感应到危险时，系统会报警急停。等到危险解除后，系统会进行复位，那么机械臂就会继续运行。系统报警和复位符号后限位前限位上限位系统报警系统复位下限位右限位左限位地址I1.7注释本章主要是对西门子PLC的气动机械臂控制系统的软件系统进行的一个调试，验证并完善了系统的操作流程及系统的可行性。针对包括系统的气动部分的运行、机械臂的启动、轨迹运行、安全报警、急停检测进行了进一步的调试。本章更加深入的将理论与实践结合起来，使本设计更加生动形象，学习的更加细致。论知识的基础上，通过老师的指导，制定了合理的设计规划，并进行反复实践。其次通过参考关于PLC机械臂的有关文献，更加完善了自己的设计，使本设计的智能产品来完善我国的制造智能化生产线。在今年的两会中总结了2020年及：2030”重大项目，更加激励我们年青一代去有所创新，本设计所凸显的就是创新。科技创新的领域，尽快掌握先进知识，为祖国的发展贡献一份力量。[2]蔡自兴.机械臂学的发展趋势和发展战略.机械臂技术，2001,4[4]王雄耀.近代气动机械臂(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封1999[5]王文静。S7-200PLC与S7-1200PLC串口通信实时性分析[J].机电信息，2016(12):126-[7]张丰华，韩宝玲，罗庆生，石琳，黄麟。基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统设计[J].计算机测量与控制，2009,17(11):2191-2193+2196.机械工业出版社，1990,5[11]蔡行健。深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.[12]王永华.现代电气控制及PLC应用技术(第三版)[M].北京：北京航空航天大学出版[13]戴文进、杨植树.电气工程及其自动化专业英语[M].北京：电子工业出版社，2007[15]李本红，陈小军。基于PLC和触摸屏的食品包装自动化生产线控制系统设计[J].机电工程技术，2014,43(01):9-13.[16]周石强，郭强，朱涛，刘旭东。电气控制与PLC应用技术的分析研究[J].中华民居(下旬刊),2014(01):199+201.动化仪表，2015,36(09):65-68.动，2013(04):19-2