机械手课程设计

1、菏泽学院Heze University蒋震机电工程学院课程设计报告课程名称 现代电器控制及PLC应用技术 题目 机械手控制系统设计 姓名 袁浩 学号 专业 自动化 指导教师 刘敏娜 职称 助教 2015 年 12月 25 日目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21设计题目及要求21.1 PLC机械手控制面板图21.2 控制要求22 PLC及机械手驱动的选取及简介32.1 PLC选取32.2 PLC介绍32.2.1概述32.2.2应用领域32.2.3组成32.2.4 PLC的编程语言42.2.5数据处理52.2.6通信及联网52.3 机械手驱动的选择52.3.1步进电机

2、52.3.2步进电机的选择63 硬件系统设计73.1 硬件设计及外部接线图73.2 端口分配及功能表83.4 操作步骤84 软件设计94.1 设计要求简述94.2 控制系统功能流程图104.3 程序梯形图116总结12参考文献13致谢14PLC机械手控制系统设计自动化专业学生 袁浩指导教师 刘敏娜摘要：本设计以西门子公司的S7-200PLC为基础，结合所学PLC知识，通过硬件设计及软件设计结合制作出一个能够按照顺序做出动作并且可以复位的机械手控制系统。实现对机械手的精密控制保证系统能够正常运行，并且拥有完成的程序梯形图。关键词：顺序动作；机械手；S7-200PLCThe Design of M

3、echanical Hand Control System Based on PLCStudent majoring in automation Yuan HaoTutor Liu MinnaAbstract：The design is based on Siemens S7-200 PLC, combined with the knowledge of PLC, the hardware design and software design combined to produce a can in order to make the movement and can reset the ma

4、nipulator control system.Realize the precision control of the manipulator to ensure the normal operation of the system, and has completed the ladder diagram.Key words:Sequence action；mechanical hand；S7-200PLC引言 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤

5、其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。1 设计题目及要求1.1 PLC机械手控制面板图机械手控制面板图如图1

6、-1所示 图1-1 机械手控制面板图1.2 控制要求1.总体控制要求：如面板图所示，工件在A处被机械手抓取并放到B处。2.机械手回到初始状态，SQ4=SQ2=1，SQ3=SQ1=0，原位指示灯HL点亮，按下“SB1”启动开关，下降指示灯YV1点亮，机械手下降，（SQ2=0）下降到A处后（SQ1=1）夹紧工件，夹紧指示灯YV2点亮。3.夹紧工件后，机械手上升（SQ1=0），上升指示灯YV3点亮，上升到位后（SQ2=1）,机械手右移（SQ4=0）,右移指示灯YV4点亮。4.机械手右移到位后（SQ3=1）下降指示灯YV1点亮，机械手下降。5.机械手下降到位后（SQ1=1）夹紧指示灯YV2熄灭，机械手

7、放松。6.机械手放松后上升，上升指示灯YV3点亮。7.机械手上升到位（SQ2=1）后左移，左移指示灯YV5点亮。8.机械手回到原点，原位指示灯YV2点亮。2 PLC及机械手驱动的选取及简介2.1 PLC选取 由于市场的需求和西门子PLC的广泛应用所以我选取的是S7-200.我们对其进行简要说明：S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。2.2 P

8、LC介绍2.2.1概述SIMATIC S7-200 Micro 自成一体：特别紧凑但是具有惊人的能力特别是有关它的实时性能它速度快，功能强大的通讯方案，并且具有操作简便的硬件和软件。但是还有更多特点：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有统一的模块化设计目前不是很大，但是未来不可限量的定制解决方案。这一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案。2.2.2应用领域SIMATIC S7-200的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到在单机、网络以及分布式配置中更复杂的自动化任务。S7-200也越来越多地

9、提供了对以前曾由于经济原因而开发的特殊电子设备的地区的进入。2.2.3组成基本单元：S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用.扩展单元：S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数.编程器：PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入

10、，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。程序存储卡：为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。写入器：写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传

11、送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。文本显示器：文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。2.2.4 PLC的编程语言PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言

12、用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。1.梯形图语言（1）梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。（2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。（3）梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。（4）梯形图的最右端必须连接输出元素。（5）梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。2.助记符语言助记符语言是PLC命令的语言表达式。用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器时可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满足，所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式。不同

13、型号的PLC，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的。编程时，一般先跟据要求编制梯形图语言，然后再根据梯形图转换成助记符语言。3.顺序功能图语言顺序功能图SFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分为若干个阶段(状态)，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始。2.2.5数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一

14、定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。2.2.6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.3 机械手驱动的选择机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。步进电机的运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电

15、机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、左行/右行动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座旋转是通过控制直流电机的转动方向来实现的。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。2.3.1步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本系统采用二相八拍混合式步进电机来控

16、制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。此处采用串联型接法，其电气接线图如下图2-1所示。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。图2-1 步进电机接线图2.3.2步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距

17、角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般为低速）二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩

18、擦负载的2-3倍最好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=M=2n/60P=2nM/60其P为功率，单位为瓦；为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿米；P=2fM/400(半步工作），其中f为每秒脉冲数（简称PPS)。此外，在选取电机时，我们应该注意：1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，

19、（0.9度时3000PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一是可以保证电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。4、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。5、应遵循先选电机后选驱动的原则。根据以上原则，我们选用深圳雷塞两相57HS13系列步进电机，电机参数如表2-1表2-1 电机参数表型号静力矩(NM)歩距角()相电流电阻()电感(mH)长度L

20、(mm)转子惯量(g.cm2)重量(Kg)串联(A)并联(A)57HS131.31.82.04.01.02.1764601.03 硬件系统设计3.1 硬件设计及外部接线图根据题目要求进行端口分配具体如表3-1，根据端口分配再进行PLC的外部接线，具体接线图如图3-1所示。图3-1 PLC外部接线图3.2 端口分配及功能表各端口分配及功能如表3-1所示表3-1 端口分配表序号PLC地址（PLC端子）电气符号（面板端子）功能说明1I0.0SB1启动开关2I0.1SQ1下限位开关3I0.2SQ2上限位开关4I0.3SQ3右限位开关5I0.4SQ4左限位开关6Q0.0YV1下降指示灯7Q0.1YV2夹

21、紧指示灯8Q0.2YV3上升指示灯9Q0.3YV4右移指示灯10Q0.4YV5左移指示灯11Q0.5HL原位指示灯12主机COM0、COM1、COM2接电源GND电源地端3.4 操作步骤1.检查实验设备中器材及调试程序。2.按照端口分配表完成PLC与实验模块之间的接线，认真检查，确保正确无误。3.打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误时根据提示信息修改直至无误，用通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中。4.将左限位开关SQ4、右限位开关SQ3打向左、上限位开关SQ2、下限位开关SQ1打向上，机械手回到初始状态，原位指示灯HL点亮。5

22、.打上“SB1”启动开关，下降指示灯YV1点亮，模拟机械手下降，上限位开关SQ2打下，下降到A处后次下限位开关SQ1打下，开始夹紧工件，夹紧指示灯YV2点亮。6.夹紧工件后，机械手上升，上升指示灯YV3点亮，将下限位开关SQ1打上，机械手上升到位后，上限位开关SQ2打上。7.右移指示灯YV4点亮，机械手开始右移，左限位开关SQ4打向右。8.机械手右移到位后，右限位开关SQ3打向右，下降指示灯YV1点亮，机械手下降，上限位开关SQ2打下。9.机械手下降到位后，下限位开关SQ1打下，夹紧指示灯YV2熄灭，机械手放松。10.机械手放松后上升，上升指示灯YV3点亮，下限位开关SQ1打上，机械手上升到位

23、后，上限位开关SQ2打上。11.机械手上升到位后左移指示灯YV5点亮，右限位开关SQ3打向左。12.机械手左移到位后，左限位开关SQ4打向左，机械手完成一个动作周期。具体流程图如图3-2所示。图3-2 操作流程图4 软件设计4.1 设计要求简述本控制系统，我们选取自动和手动两种工作方式，手动控制方式即单步运行方式，手动操作不需要按工序顺序动作，可以按普通继电器接触器控制系统来设计，利用按钮对机械手每一动作单独进行控制，如按“下降”按钮，机械手下降；按“上升”按钮，机械手上升。而自动工作方式，按下启动按钮后，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。自动控制系

24、统的整体运行情况是：打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手若不在原点则PLC向上下行驱动器输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升。上升到底时碰到上限位开关，然后主机向左右行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，左右行步进电机反转，横轴左行。当行进到位时碰到左限位开关，左行停止，回到原点。主机向上下行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，上下行步进电机反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，夹紧电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向上下行驱动器只输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向基座电机输入正转信号，电机正转，机械手右旋，碰到右旋限位开关，右旋停止。主机向左右行驱动器输入脉冲信号电平信号，步进电机左右行正转，机械手右行，右行到位时，碰到右限位开关，右行停止。主机向上下行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，上下行步进电机反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀得电，机械手放松。放松后，主机向驱动器上下行输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升，上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向左右行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，左右行步进电机反转，横轴左行，当左行到底时碰到左限位开关，然后主机向基座电机同时输入反转信号，电机反转，机械手左旋，碰到左旋限位开关左旋停止，回到原点