机械手控制系统设计--毕业论文.doc

机械手控制系统设计

摘 要
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械知道生产系统中的一个重要部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。当今的PLC吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，其应用已从单机自动化推广到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产地宗华。目前，机械手主要用于机床加工、锻造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展锻造、热处理方面的机械手，PLC可以按照所要求完成机械手的设计，使机械手的设计简单化，大大节省了时间，提高了工作效率，减轻了劳动强度，改善作业条件。
本课题拟开发物料搬运机械手，采用西门子系列S7-200PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分、滑轨、机械抓手等。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

关键词：机械手，S7-200，可编程技术

ABSTRACT
Modern industrial manipulator is a new technology in automatic control field, is the modern control theory and the combination of the industrial automation production practice, and to become an important part of modern mechanical know production system. Industrial robots is to improve the production process automation, improve labor condition, one of the effective methods to improve the product quality and production efficiency. Especially in high temperature and high pressure, dust, noise pollution and radioactive and occasions, more widely applied. In our country, also has a rapid development in recent years, and achieved a certain effect, brought to the attention of the machinery industry and railway departments. Today's PLC absorbs the latest achievements of the microelectronics technology and computer technology, its application has been extended from single machine automation in the whole production line automation and the whole factory built chung wa. At present, the manipulator is mainly used for machining, forging, heat treatment, etc., regardless of the quantity, variety and performance can not meet the needs of the development of industrial production. In domestic major is gradually expanding the scope of the application, the development of the forging, heat treatment of manipulator, PLC can according to the required to complete the design of the manipulator, simplify the design of the manipulator, greatly save time, improve work efficiency, reduce the labor intensity and improve work condition.
This topic proposed development material handling manipulator, adopting Siemens series S7-200 PLC, up and down, left and right sides of manipulator and grab motion control. The equipment mechanical parts, slippery course, mechanical gripper, etc. We use the programmable technology, combined with the corresponding hardware device, control manipulator to complete various actions.

Keyword：manipulator，,S7-200，PLC

目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
1引言 1
2机械手的概述与简介 2
2.1机械手的应用简况 2
2.2机械手的应用意义 3
2.3机械手的发展概况 3
2.4机械手的发展趋势 4
2.5机械手实现的过程 5
3 PLC的介绍与程序设计 7
3.1 PLC的结构 7
3.1.1 PLC的特点 8
3.1.2 PLC的经济分析 8
3.2 PLC的应用概况 9
3.3 PLC在机械手中的应用 10
4 机械手的设计方案 11
4.1 流程图 11
4.2 I/O接口 11
4.3 PLC编程梯形图 12
4.4 机械手控制系统组态设计及运行监控 17
总 结 20
致 谢 21
参考文献 22

III

1引言

随着技术的进步，工业自动化软件技术正在向智能化、网络化和集成化方向飞速发展，复杂大系统在网络环境下运行、在网上实现复杂系统的优化控制与管理已经不是遥遥无期，而是指日可待。在本次设计中对坐标舞台的控制就是采用一种新型工业自动化控制器装置——可编程控制器（即PLC）来设计完成的。PLC是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。它把计算机的编程灵活、动能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身有具有体积小、重量轻、耗电省等特点，在工业生产过程控制中的应用越来越广泛[1]。
组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。 “组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。 “监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。在其他行业也有组态的概念。不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BAISC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容监控组态软件将会不断被赋予新的内容.

2机械手的概述与简介
2.1机械手的应用简况
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：
1.热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。
2.冷加工方面的应用
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。
3.拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。

2.2机械手的应用意义
在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1.可以提高生产过程的自动化程度2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。3.可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

2.3机械手的发展概况
专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。
早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。
50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。
60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。
80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。
90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。
90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。
总之，目前机械手的主要经历分为三代：
第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

2.4机械手的发展趋势
目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。
现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
2.5机械手实现的过程
机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。机械手结构示意图如图2.5所示。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；改变电机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、前伸/后缩动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座正转/反转和气夹正转/反转是通过两个继电器的吸合与断开来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[11]。
打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手的动作机械手若不在原点则PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。当后缩到位时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一只输入

图2.5机械手结构示意.机械手的动作

脉冲信号步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位时，碰到前限位开关，前伸停止。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。机械手后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。

3 PLC的介绍与程序设计
3.1 PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成[9]。其结构简图如下

存储器
EPROM
微处理器
运算器
控制器
电源
输入部件
I/O
扩展接口
I/O
扩展单元
受控元件
输入信号
外部设备

图3.1 PLC硬件结构图

采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，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。本模型中采用串PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的[12]。

3.1.1 PLC的特点
(1) 灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。
(2) 可靠性高、抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境[13]。
(3) 操作方便、维修容易
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。

3.1.2 PLC的经济分析

(1) 从影响成本的各个因素综合考虑
对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：① 继电器控制；② 半导体器件控制；③ PLC控制。价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。
(2) 从设计、生产周期长短考虑
不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果[14]。

3.2 PLC的应用概况

PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。
按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。
1）. 用于逻辑控制
这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。
2）. 用于模拟量控制
PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。
3）. 用于机械加工中的数字控制
现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。
4）. 用于工业机器人控制
5）. 用于多层分布式控制系统
高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。

3.3 PLC在机械手中的应用
机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单。编程简单、使用、维护方便；组合方便、功能强、应用范围广；体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。

4 机械手的设计方案
4.1 流程图

4.2 I/O接口

点设置
类型
功能
M1.5
数字量
启动按钮
Q0.0
数字量
机械手下降
Q0.1
数字量
机械手上升
Q0.2
数字量
机械手抓紧
Q0.3
数字量
机械手右移
Q0.4
数字量
机械手左移
Q0.5
数字量
左侧小物块上升
Q0.6
数字量
左侧小物块右移
Q0.7
数字量
左侧小物块下降
vw0
模拟量
机械手上下移动
vw2
模拟量
机械手左右移动

4.3 PLC编程梯形图

网络1至网络8：顺序功能设计法

网络9至网络14机械手运动过程：下降—抓取—上升—右移—下降—松开—上升

网络15至网络24：用脉冲触发计数器，用计数器出发其连续运动。将计数器送到中间通道，利用vw0、vw2点组态。

4.4 机械手控制系统组态设计及运行监控

点组态如图2-4所示

1.按下开始按钮机械手下降

2.机械手抓取物件向上移动

3.机械手抓紧小物件一起向右移动

4.机械手向下移动将小物块放在小车上

5.机械手向上移动，然后左移，回到初始位置

总 结
机械手的PLC控制课程设计是自动化课程当中一个重要环节通过了2周的课程设计使我对课程设计过程有进一步了解，对自动化产品的有关的控制知识有了深刻的认识。
通过此次设计，一方面让我认识到之际的不足，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。在一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。
因为理论只是学的不牢固，在设计遇到了不少问题。通过理论和实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用机械设计课程，及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力。
经过这次的努力，使我顺利的完成了此次课程设计。这份课程设计即是对学期所学知识的总结，又是自己知识的积累，也大大加深了对可编程控制器技术的了解。
鉴于本人所学知识浅薄，经验不足，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请老师给予批评和指正。

致 谢
此次设计是在我的导师张老师和同学的悉心指导下完成的。老师为设计课题的研究提出了许多指导性的意见，为课程设计的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。张老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本人结束之际，特向我敬爱的老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！
同时感谢我们小组的所有同学对我的帮助。他们给了我无数的关心和鼓励，也让这两周的生活充满了温暖和欢乐。如果没有他们的帮助，此次毕业论文的完成将变得困难。他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。
此外，非常感谢家人对我的关心和大力的支持，在此深深的祝福他们身体健康，生活幸福。
在论文完成答辩之际，向本次论文评审和答辩的各位老师，表示最诚挚的谢意！

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