【《基于PLC的机械手控制系统设计与仿真研究》7500字（论文）】

基于PLC的机械手控制系统设计与仿真研究目录前言 41.绪论 41.1PLC对工业领域控制现状 41.2机械手发展趋势及现状 52.可编程控制器（PLC）和机械手概述 52.1可编程控制器（PLC） 52.1.1PLC构成 52.1.2PLC发展趋势 62.2机械手 72.2.1机械手工作原理 72.2.2机械手发展方向 73.机械手控制系统的设计 83.1系统方案设计 83.1.1PLC控制要求 83.1.2控制方案设计 103.2PLC硬件设计 113.2.1输入/输出地址分配 113.2.2PLC接线图 113.3程序系统设计 123.3.1顺序流程图 123.3.2梯形图 134.组态仿真软件 214.1系统调试 214.2动画仿真 23结论参考文献摘要选择PLC技术作为主控芯片，以此进行机械手管控活动，并且在工业生产领域中，机械手也是主要的控制对象，随着工业技术的发展，市面竞争大，员工成本高，而机械手的问世，节省成本，大幅度提高效率，而且机械手也是能够以仿生学角度模仿人手功能，结合已有设定的程序与轨迹进行运行，能够替代人手抓取与搬运工件，它能部分的代替员工劳动。对工业自动化，推动工业生产的发展起着重要作用。

关键词：PLC；工业机械手；控制系统；程序前言工业领域中的生产自动化与机械化控制已经成为重要的发展技术，伴随工业技术飞速发展，企业更是需要引入自动化控制技术，以此产生更好的发展效能，已经出现大量普及的企业无人车间以及无人生产流水形等发展模式等。同时在现代生产过程中，也是会产生各类较为恶劣的工况环境，特别是体现在辐射振动、腐蚀、易燃易爆、多尘埃等生产环境，这是不能够更好的展开人工作业活动。所以，机械手应用得更为广泛。在中国，机械手近年来也有着比较快的发展，并且取得了一定的成果，受到机械行业和一些微电子行业的重视。1.绪论1.1PLC对工业领域控制现状随着PLC的发展，工业PLC技术已达到了一个崭新高峰，因此PLC在传统地位受到了一定程度的冲击。一直以来，PLC技术能够在自动化设备应用中产生更加可靠的控制效能。这项控制技术具备的安全性能等，可以更好的符合现有工业企业使用自动化技术的需求。另外，PLC技术需要借助于其他新兴科技力量，以此降低原有市场占有率不断渐少的发展趋向，尤其是工业发展给PLC产生的负面影响。当前PLC技术在研发过程中，主要关注的重点研究内容集中在新技术引用方面、系统开放性方面以及经济性价比方面等。1.2机械手发展趋势及现状 机械手能够以仿生学角度对人手抓取动作进行模仿，通过执行设定的程序进行抓取操作与工件搬运操作等的自动机械设备。这是可以在恶劣环境中展开自动化生产活动，同时也是能够更好的保障人员安全，现已在机械制造领域与电子领域中大量的普及。机械手的出现不是独立的，是生产力的基础阶段，也是众多技术发展的结晶。当然，与机械手相类似的技术还有很多，各类技术互相融合的形式越来越显著，机械手的发展前景也越来越光明，越来越广泛。2.可编程控制器（PLC）和机械手概述2.1可编程控制器（PLC）2.1.1PLC构成各类PLC产品均有着近似的结构类型特征，重点包括CPU组成单元、电源组成单元、储存装置组成单元以及I/O接口组成部分等。通常其中央处理器包括寄存装置构成环节、控制装置构成环节以及运算装置构成环节等。PLC重点涵盖软件系统与硬件系统等。其硬件部分包括微处理器单元、

存储器单元、电源部件单元、I/O结构单元、编程器单元、I/0

扩展单元单元以及其他外设单元等。不同构件可以选择总线进行连接操作，相关内容见图1。图1PLC硬件结构图2.1.2PLC发展趋势一、这是有着高容量特征、高性能特征、高速度特征的发展趋向伴随PLC技术的不断升级优化，也是会产生更快的扫描速率以及更强的编译指令功能，内置元件持续优化，从而会显著提升其控制性能。二、这是有着微型化特征的发展趋向这类PLC芯片重点涵盖如下所述优势，主要包括小体积优点、高可靠性优点、简单编程优点以及搭线简便优点等。当前，小型PLC产品有着非常激烈的市场竞争情况，这也是会在客观层面上强化相关领域技术的飞速发展效能。欧姆龙公司等一些公司正在应用小型PLC，灵活性高、开发周期短、价格低廉、适应性较强。2.2机械手2.2.1机械手工作原理机械手装置主要涵盖手部构成部分、控制系统构成部分以及运动机构构成部分等。其中，手部构件是要实现工件抓取功能，这是需要充分考量被抓物件具备的形状情况、材料情况、重量情况以及作业需求情况等，因此会产生诸多的设计结构形式，能够让其按照编程内容实现预设的各类摆动动作、复合动作以及移动动作，能够将工件位置进行改变操作。其运动机构功能是可以产生上下动作、旋转动作以及伸缩动作，这也是被称之为机械手的自由度参数。能够在制定空间中将处于任意方位的工件进行抓取操作，这也是会产生更高的自由度参数，使得机械手产生更高的灵活度参数，有着个更加广泛的应用领域，从而出现日益复杂的结构形式。2.2.2机械手发展方向向模块化、可重构化、和开放型控制器方向发展。从而能够产生标准化操作效果，强化机械手易操作性能、维修性能以及可靠性能等。其内置的传感器也是会在应用中出现特别关键的作用，主要包括位置传感装置、加速度传感装置以及速度传感装置等，在焊接类机械手以及装配类机械手中也是会使用力学传感装置以及视觉传感装置等，而且在遥控机械手中也是应用视觉传感装置、声学传感装置、力学传感装置以及触觉传感装置等，以此可以产生更加显著的环境控制功能。3.机械手控制系统的设计3.1系统方案设计3.1.1PLC控制要求机械手装置用于流水线操作时的核心功能是把工件由A处转移至B处，其核心动作如下所述：通过位置下降方式准备夹取A位置的工件（到下限位SQ4停）将工件夹紧且进行上升运动（传送到上限位置SQ3后停止运动）--接着进行右移操作（传送到上限位置SQ2后停止运动）将工件夹紧且进行下降运动（传送到上限位置SQ4后停止运动）将工件松开后进行上升运动（传送到上限位置SQ3后停止运动）通过左移操作返回至原点位置（传送到上限位置SQ1后停止运动）。机械手动作如（图2）所示，M1电动机控制左移和右移等操作，M2电动机控制上移与下移等操作，M3电动机控制对机械手进行夹紧与松开控制等操作。SQ1代表的是左限位检测开关功能，SQ2代表的是右限位检测开关功能，SQ3代表的是上限位检测开关功能，SQ4代表的是下限位检测开关功能，SQ5代表的是工件到位检测开关功能等。控制技术标准：1.机械手夹紧工件由A处转移至B处放开；2.机械手在原始位置时是需要处于A位置上方区域；3.启动设备后，如果SQ5监测到在A位置中出现工件，则机械手将按预定的程序连续工作生产。图2机械手动作示意图在控制面板上，主要涵盖如下所述工作模式：1.手动工作。按钮按下后会相应的产生单独控制机械手动作情况，譬如通过相关的按钮展开上移与下移等控制，通过此种方式可以让机械手处于任何操作档位，以此对其实际动作产生有效的控制作用。2.自动工作。原位时按下启动按钮，将循环执行程序，连续性的进行搬运工作。机械手操作面板如（图3）所示：图3机械手操作面板示意图3.1.2控制方案设计通过组态王软件进行机械手控制系统的设计工作，将其移动过程中触碰的限位开关用于输入参数。该软件能够进行机械手的软件设计分析，然后采用动画连接方式以及程序控制模式，然后和PLC进行连接操作，以此完成调试工作，就可以利用PLC程序控制组态软件中的机械手画面进行仿真。组态王仿真监控界面如（图4）所示：图4组态王仿真监控界面示意图3.2PLC硬件设计3.2.1输入/输出地址分配3.2.2PLC接线图3.3程序系统设计3.3.1顺序流程图流程图中SM0.1为初始化脉冲信号，作用是PLC停止状态转换为启动时，首次扫描接通。S0.0是顺序功能传递的一个位，是储存在CPU内部的。作用是当程序使用顺序功能时，S0.0可以进行上下程序之间的顺序连接。当I1.6开关检测到A位置有工件，顺序功能继电器S0.1接通，Q0.2线圈通电，驱动M2电机使机械手开始下降，碰到I1.5下限位开关，顺序功能继电器S0.2接通，Q0.4线圈通电，驱动M3电机使机械手置位后将工件进行夹紧操作，T37定时装置进行1s的定时操作，然后产生常开触点动作，接通顺序功能继电装置S0.3，Q0.3线圈通电，驱动M2电机使机械手上升，碰到I1.4上限位开关，顺序功能继电器S0.4接通，Q0.0线圈通电，驱动M1电机使机械手右移，碰到I1.3右限位开关时，顺序功能继电器S0.5接通，Q0.2线圈通电，驱动M2电机使机械手下降，碰到1.5下限位开关时，顺序功能继电器S0.6接通，Q0.4线圈通电，对M3电机进行驱动后，控制机械手复位后将工件松开，T38定时装置进行1s的定时操作，然后产生常开触点动作，接通顺序功能继电装置S0.7，这是要给Q0.3线圈进行通电操作，对M2电机进行驱动后，然后控制机械手进行上移操作，在触碰I1.4上限位开关装置，顺序接通功能继电装置S1.0，对Q0.1线圈进行通电操作，驱动M1电动机让机械手左移。触碰到I1.2左限位，此时机械手左移到位后，同时上移也到位，未按停止按钮的话，I1.6工件检测开关检测到A位置有工件时，再继续进行下一个循环过程……向下、夹紧、上升、右移……3.3.2梯形图满足机械手手动控制和自动控制的PLC程序如下：网格1为启动辅助继电器M2.0程序，将启动控制按钮I0.0按下，由于停止按钮均为常闭情况，因此这是要将辅助继电器M2.0进行直接启动操作，其M2.0辅助常开触点进行闭合操作，实现自锁。网格2为手动工作方式和自动工作方式切换程序，M2.0继电器处于常开闭合状态，手动使用按钮I0.2，辅助继电器M2.1通电，辅助继电器M2.1常开触点进行闭合操作，由此产生自锁操作，手动按钮I0.2的常闭触点断开，实现按钮互锁。此时为手动模式，对机械手左移、右移、上升、下降、夹紧、放松单独控制。按下自动按钮I0.3，M2.2辅助继电器接通，M2.2继电器处于常开闭合状态，由此产生自锁操作，以自动方式使用按钮I0.3，让常闭触点进行断开操作，产生按钮互锁。此时为自动模式，检测到有工件时，机械手会连续的工作。这里重点说明的是，手动工作方式和自动工作方式切换程序中设置了一些必要的按钮互锁，比如在对方的操作程序中串上自己的启动按钮常闭触点，防止误操作使手动程序和自动程序同时运行。网格3为手动工作程序。首先，按下网格2中手动按钮I0.2，网格3里M2.1继电器处于常开闭合状态，使用I0.4左移按钮，让Q0.1线圈通电，以此让机械手实现左移操作，Q0.1接触器辅助常开触点进行闭合操作，从而产生自锁状态，左移后触碰I1.2左限位开关后，I1.2常闭触点进行断开操作，停止左移。按下I0.5右移按钮，Q0.0的线圈通电，驱动机械手右移，Q0.0接触器辅助常开触点闭合，实现自锁，右移碰到I1.3右限位开关后，I1.3常闭触点断开，停止右移。使用I0.6上移按钮，接通Q0.3线圈电源，让机械手产生上移操作，Q0.3接触器可以辅助常开触点进行闭合操作，从而产生自锁操作效果，其触碰到后上限位I1.4后，I1.4常闭触点进行断开操作，停止上升。使用I0.7下移按钮，让Q0.2线圈接通电源，让机械手受到驱动后出现下移操作，Q0.2接触器辅助常开触点进行闭合操作，从而产生自锁操作，触碰下限位I1.5，I1.5将常闭触点进行断开操作，这是会出现停止下移动作。使用I1.0夹紧按钮，让Q0.4线圈接通电源，将机械手进行驱动后置位并将工件夹紧，如果使用I1.1松开按钮，让Q0.4的线圈接通电源，将机械手进行驱动后复位并将工件夹紧。其中在手动程序中加入了一些必要的按钮互锁，比如在执行机械手右移时，不能左移、上升、下降、夹紧和松开等等一系列的互锁按钮。网格4为自动初始化程序。按下网格2中I0.3自动按钮，在网格4中的M2.2继电器常开进行闭合操作，PLC在启动中以自动方式将一个扫描周期接通，使得S0.0初始状态继电器置位，允许SCR段工作。网格5为顺序状态开始程序，操作对象S0.0。网格6为原点检测程序，只要机械手不在原点即可返回原点。SM0.0特殊中间继电器始终为ON，让S0.1初始状态继电器复位，左限位开关I1.2检测机械手左移，上限位I1.4开关检测机械手上升，机械手Q0.4线圈复位松开，工件检测I1.6，SCRT置位下一程序中，SCR段的S0.1状态器，便于下一个SCR段开始工作，另一方面又使该段的状态器复位，使该段停止工作。网格7为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。网格8为顺序状态开始，S0.1状态继电器置位，允许SCR段工作。网格9为机械手下降程序，符合“原点条件”和“有工件”，机械手会下降到达下限位位置，并进行下一步动作。SM0.0始终为ON，Q0.2线圈通电，机械手下降，触碰下限位开关I1.5过程中，SCRT将1个SCR段对应的状态元件S0.2进行置位操作，下1个SCR段运行，并且复位其状态器，然后让该段中止运行。网格10为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。网格11为顺序状态开始，S0.2状态继电器置位，允许SCR段工作。网格12为机械手夹紧程序。SM0.0特殊中间继电器始终为ON，Q0.4线圈得电，置位夹紧，T37定时器开始计时1S后，T37常开触点闭合，SCRT将1个SCR段对应的状态元件S0.3进行置位操作，下1个SCR段运行，并且复位其状态器，然后让该段中止运行。网格13为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。网格14为顺序状态开始，S0.3状态继电器置位，允许SCR段工作。网格15为机械手上升程序，SM0.0始终为ON，Q0.3线圈得电，机械手上升，碰到上限位开关I1.4时，SCRT将1个SCR段对应的状态元件S0.4进行置位操作，下1个SCR段运行，并且复位其状态器，然后让该段中止运行。网格16为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。网格17为顺序状态开始，S0.4状态继电器置位，允许SCR段工作。网格18为机械手右移程序，SM0.0始终为ON，Q0.0线圈得电，机械手右移，碰到右限位开关I1.3时，SCRT将1个SCR段对应的状态元件S0.5进行置位操作，下1个SCR段运行，并且复位其状态器，然后让该段中止运行。网格19为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。网格20为顺序状态开始，S0.5状态继电器置位，允许SCR段工作。网格21为机械手下降程序，SM0.0始终为ON，Q0.2的线圈通电，机械手下降，碰到下限位开关I1.5时，SCRT将1个SCR段对应的状态元件S0.6进行置位操作，下1个SCR段运行，并且复位其状态器，然后让该段中止运行。网格22为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。网格23为顺序状态开始，S0.6状态继电器置位，允许SCR段工作。网格24为机械手松开程序。SM0.0特殊中间继电器始终为ON，Q0.4的线圈通电，机械手复位夹紧工件，T38定时器开始计时1S后，T38常开触点闭合，SCRT将1个SCR段对应的状态元件S0.7进行置位操作，下1个SCR段运行，并且复位其状态器，然后让该段中止运行。网格25为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。网格26为顺序状态开始，S0.7状态继电器置位，允许SCR段工作。网格27为机械手上升程序，SM0.0始终为ON，Q0.3线圈得电，机械手上升，碰到上限位开关I1.4时，SCRT将1个SCR段对应的状态元件S0.0进行置位操作，下1个SCR段运行，并且复位其状态器，然后让该段中止运行。网格28为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。网格29为顺序状态开始，S1.0状态继电器置位，允许SCR段工作。网格30为机械手左移程序，SM0.0始终为ON，Q0.1线圈得电，机械手左移。同时左限位检测、上限位检测让机械手回原点，启动自动工作方式后未按停止按钮，到达左端，上端，工件检测，如有工件时，然后再进行下一次循环操作。SCRT将1个SCR段对应的状态元件S0.1进行置位操作，下1个SCR段运行，并且复位其状态器，然后让该段中止运行。网格31为顺序状态结束程序，SCR段必须用SCRE指令结束。进行下一个循环

4.组态仿真软件4.1系统调试一、新建工程，命名为“机械手仿真”。点击进入工程，单击左侧菜单中“设备”的“COM1”

，将波特率确定成9600bit/s，如（图5）所示：图5设置串口单击“新建”->“设备驱动”->“PLC”->“西门子”->“s7-000系列”->“PPI”，如（图6）所示。给新设备命名“西门子”，为安装设备指定地址为“2”。最后完成组态通信部份的设置。图6设置配置向导二、数据词典点击左侧浏览中的“数据词典”，以及系统定义的内存变量将出现到右侧工作空间中，将其底端“新建”进行双击后出现“定义变量”对话框。然后初始化输入参数与输出参数，譬如包括“启动按钮”，变量类型选择“I/0离散”，连接设备时“西门子”，寄存器选择“M0.0”，数据种类是“bit”，其读写属性是“读写”，接着选择变量实现相关功能，定义变量如（图7）所示。输出变量寄存器改为Q。以相同的方式配置所有变量，数据词典中的变量列表如（图8）所示：图7定义变量图8数据词典中的变量列表4.2动画仿真一、建立组态画面，点击左侧浏览器中画面，名称为“机械手仿真”。仿真画面如（图9）所示：图9机械手仿真画面示意图二、动画连接首先组合需上下运动的部件，然后创建动画连接，点击弹出窗口中的“垂直移动”，选择变量“机械手下移”，把移动距离改为合适数值，机械手垂直下降动画连接建立完成。机械手下降动画连接如（图10）所示图10机械手下降动画连接开关按钮对应的动画连接如图11，将其开关进行双击，并且单击“按下时”后，进行相应的编程，其它开关的动画建立与其相似。图11开关按钮动画连接下限位按钮对应的动画连接如图12，将其开关进行双击，并且单击“填充属性”按钮后，进行相应的填充，其它限位开关的动画建立与其相似。图12下限位开关动画连接机械手仿真参数设置，使用左侧浏览区域中“系统设置”->“设置运行系统”，随机出现的窗口中单击“主画面配置”，选择“机械手仿真”，然后点击“特殊”选项卡，设置“运行系统基准频率”为100毫秒。机械运动的参数设置完成，如（图13）所示：图13运行系统设置打开左侧浏览“命令语言”“应用程序命令语言”，打开窗口找到“运行时”选项卡，在其中编写机械手运动时的一些所需程序。如（图14）所示：图14应用程序命令语言对话框西门子S7

-200的PLC中下载所需的梯形图，单击后运行，然后关闭编辑梯形图的软件，打开组态王，点击左侧浏览器中“切换到运行系统”，在产生的窗口中进行确定的点击操作，然后产生机械手仿真界面信息如图15，此时点击“启动”按钮，机械手就可以按照梯形图程序运动。图15机械手仿真界面

结论传统的继电器控制的机械手，继电器设备多，而且线路复杂，而如今现代化工业选用PLC是对机械手动作进行控制，无需使用继电装置，有着便捷的安装效果，可以更好的保障系统运行的可靠性，降低维修量，强化工作效能，工业控制领域得到明显提高。用户可以自主化编写PLC各类控制程序，这已经成为其显著的性能优势。机械手装置存在很高的工作效能