毕业设计论文 基于S7-300PLC的机械手臂控制系统设计.pdf
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1、中国矿业大学本科生毕业设计姓 名:XXX 学号:0000000000000学 院:信息与电气工程学院_专 业:_电气工程与自动化_设计题目:基于S7-300 PLC的机械手臂控制系统设计指导教师:xxx 职称:n 中国矿业大学毕业设计任务书学院 信电学院 专业年级 电气XX班 学生姓名 XXX 毕业设计题目:基于S7-300PLC的机械臂控制系统设计毕业设计主要内容和要求:1、掌握机械手臂的工作原理及控制方法;2、设计一种基于S 7-300 PLC的机械手臂控制系统;3、掌握机械手臂的相关传感器原理及使用方法;4、用PLC语言编制控制系统软件;5、利用组态软件开发上位机监控程序;6、翻译电气自
2、动化方面专业外文资料约3000字。院长签字:指导教师签字:中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语(基础理论及基本技能的掌握;独立解决实际问题的能力;研究内容的理论依 据和技术方法;取得的主要成果及创新点;工作态度及工作量;总体评价及建议成绩;存在问 题;是否同意答辩等):成绩:指导教师签字:年月H中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书i平阅教师i平语(选题的意义;基础理论及基本技能的掌握;综合运用所学知识解决实际问题 的能力;工作量的大小;取得的主要成果及创新点;写作的规范程度;总体评价及建议成绩;存在问题;是否同意答辩等):成绩:评阅教师签字:年月日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答
3、辩 情 况提出问题叵1答问题正确面角般佛昔 误箫 贝肥拴昔 误没有答辩委员会评语及建议成绩:答辩委员会主任签字:年 月 日学院领导小组综合评定成绩:学院领导小组负责人:年 月 日摘要机械手臂常被称作工业机器人,是工厂现代化的重要设备之一。它涉及到产品生产,加工和输送的全过程。它的可靠、安全、经济运行,直接关系到工厂的安全生产和经济利 益。机械手臂可以在一些高危险,高污染的地方展开工作;可以实现产品的标准化程度,减少次品率;减少工厂的工人数量,带来良好的经济效益;所以对它进行研究和使用具有 很高的价值和现实意义。在本篇论文中,我主要进行了基于S 7-300的机械手臂控制系统设计。它是以圆柱形 坐
4、标系为基础,用PLC进行控制,用组态王软件进行监控,实现螺丝组合和搬运的工作。机械手臂分为自动化、手动和检测三种工作方式,可以方便进行切换和组合。解决了 人工上螺丝效率低,标准化程度低等问题,提高了工厂的自动化和标准化水平。关键词:机械手臂;PLC;组态软件;自动控制ABSTRACTThe mechanical arm which is one of the most important eq uipment of the factory modernization is often referred as industrial robots.It involves the whole pro
5、cess of processing and transport.Its reliable,safe and economic operation directly related to production safety and economic interests of the factory.Mechanical arm can start working in some high-risk,high pollution and can achieve the degree of standardization of products which reduce the defect ra
6、te and reduce the number of factory workers,and good value for money,it is very important to study it and have a high value and practical significance.In this paper,the main control system design is based on the S 7-300 robot.It is based on cylindrical coordinate system and controlled by the PLC Con
7、figuration software to monitor the work of screw combination and handling.Robot into the automation of manual and detection of three works,you can easily switch and make up.Artificial on the screw,low efficiency,low degree of standardization are factory automation and standardization.Key words:mecha
8、nical arm;PLC;configuration software;automatic control目 录1绪论.11.1 本课题的意义.11.2 本文主要做的工作.11.2.1 问题提出.11.2.2 机械手臂的国内外状况及其发展趋势.11.2.3 系统设计的主要内容.22机械手臂工作原理.42.1 机械臂的运动形式.42.1.1 直角坐标系.42.1.2 圆柱坐标系.42.1.3 关节型.52.1.4 机械手的技能和特性.53 PLC系统硬件构成及传感器选型设计.73.1 PLC的构成、特点及其工作原理.73.1.1 构成.73.1.2 PLC 的特点.93.1.3 PLC的工作原
9、理.93.L4PLC的应用领域.103.2 电器元件、设备的选择.11321PLe机型的选择.113.2.2 输入输出模块.113.2.3 电源模块的选择:.15324导轨(固定各个模块).153.2.5 PLC硬件系统的配置、PLC的I/O配置.153.2.6 步进电动机选型.163.2.7 直流电机选型.183.2.8 压力传感器.193.2.9 扭矩传感器.194系统软件设计.214.1 控制流程图.214.2 生成1_0程序块.224.3语言.224.4编辑符号表.234.5编辑1_0程序.244.6程序的下载.284.7监视PLC的状态.294.8调试PLC程序.295机械手臂监控上
10、位机软件系统设计.305.1 组态软件的简单介绍.305.2 各个主要监视画面.306总结.326.1机械手臂设计系统总结.32参考文献.33附录.34翻译部分.45致谢.55中国矿业大学2012届本科生毕业设计(论文)第1页1绪论1.1 本课题的意义每一项性技术的出现总会带来巨大的产业变革,机械手臂的出现也不例外。在全世界 工业自动化,及其人口老龄化日益严重的中国,招工荒将会日益显现,接下来的就是人力 成本将会显著上升,那些危险性较高的工作,及其单位利润较低的行业将不得不思考企也 转型的良方,机械手臂无疑是首要选择。机械手的积极作用正日益为人们所认识。它可以无条件的服从指令所给予的任务,每
11、一次执行的过程,在同等条件下几乎没有任何的偏差,而且具有很高的可靠性能。灵活性 非常强,在产品更新时,在可行的范围内几乎不需要做任何硬件的改动,就能实现再生产 再利用。而且研发周期非常短,相对于其它工业控制器而言。因此,受到各先进单位的重 视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合,应 用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的成果,受到各工业部门 的重视。1.2 本文主要做的工作1.2.1 问题提出PLC控制的机械手最主要是应用于自动化生产中,如何综合地运用前面学过知识点,根据实际工程要求合理组合成控制系统,能够实现机械手臂的自动和手动操作,满
12、足控制 系统的要求。1.2.2 机械手臂的国内外状况及其发展趋势我国的工业机械手臂从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机械臂操作机的设计制造技术、控制系 统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机械手臂关键元器件,开发 出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机械臂在二十余家企业 的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线 上。但总的来看,我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品:机器手应用工程起步较晚,应用领域窄
13、,生产线系统技术与国外 比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器手约200台,约占全球已安装台数的 万分之四。以上原因主要是没有形成机器手产业,当前我国的机器手生产都是应用户的要 求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期 长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程。我国的 智能机器手和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的 是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调
14、控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声 觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息 融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开 发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地 系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进 中国矿业大学2012届本科生毕业设计(论文)第2页行列之中。国内外机械手臂领域发展近几年有如下几个趋势:(1)工业机械臂性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单 机价格不断下降,平均单机
15、价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测 系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配 机械臂产品问市。(3)工业机械手臂控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络 化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易 操作性和可维修性。(4)机械臂中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境
16、建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化 系统中已有成熟应用。(5)当代机械手臂系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器手 臂的人机交互控制。(6)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置 已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.2.3 系统设计的主要内容机械手臂控制系统是由PLC与系统输入、输出设备连接而成。因此,机械手臂控制 系统设计应包括以下基本内容:拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定,它是整个 系统设计的依据。确定系统运行方式及其控制方式。PLC可构成各种各样的控制系统,如单机控制系统
17、 集中控制系统等。在进行应用系统设计时要确定系统的控制形式。选择系统输入设备(按钮、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器等)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等执行机构)。PLC型号的选择。PLC是控制系统的核心,正确选择PLC对保证整个控制系统的经济 技术指标起着重要的作用。选择PLC主要包括机型选择、容量选择、I/O选择模块、电源 模块选择等。编制PLC的输入输出分配表,绘制输入输出端子接线图。设计操作台、电器柜及非标准电路元器件。设计控制程序。控制程序是保证系统正常、安全、可靠工作的关键。因此控制工序应 反复调试、修改,直到满足要求为止。中国矿业大学2012届本科生毕
18、业设计(论文)第3页1M图1.1 PLC应用系统设计的主要步骤修改程序分配I绘制流程图软件设计软件调试N调试正常中国矿业大学2012届本科生毕业设计(论文)第4页2机械手臂工作原理2.1 机械臂的运动形式2.1.1 直角坐标系臂部由三个相互正交的移动副组成。带动腕部分别沿X、Y、Z三个坐标轴的方向做直 线移动。结构简单,运动位置精度高。但所占空间范围较大,工作范围相对较小。=7m去宜米2.1.2 圆柱坐标系臂部是由一个转动副和两个移动副组成,相对来说所占空间较小,工作范围较大应用 较广泛。中国矿业大学2012届本科生毕业设计(论文)第5页图2.2圆柱坐标系2.1.3 关节型由动力型旋转关节和前
19、、下两臂组成。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移 为运动坐标。动作灵活,所占空间小,工作范围大,能在狭窄空间内饶过各种障碍物。图2.3关节型设计(注:本设计采用常见的圆柱形坐标系)2.1.4 机械手的技能和特性1、根据古典力学观点,物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角 度来决定的。因此,抓握物体的位置和方向(即关节间的角度)能从理论上求得。据资料 中国矿业大学2012届本科生毕业设计(论文)第6页介绍,如果采用的机械手,其机能要接近人的上肢,则需要具有27个自由度,而每一个 自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人 造肌肉”。就目前
20、的技术状况而言,上述功能还很难办到。而且把机械手的功能搞得那么 复杂,动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步,如果机械手要求具有完全通用的程 度,那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动,总共就要有 24个自由度。这在实际上也是不必要的,这样会使机械手结构复杂,费用增多。因此,不 应盲目模仿人手的动作,增加过渡的自由度,而应根据实际需要的动作,设计出最少的自 由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手(不包括握紧动作)通常具有二 到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。本设计中设计的机械手,它共有五个自由度。即:手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左 右摆动、手
21、腕回转、手指抓握。2、躯干和传动系统机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种,本设计采用综合传动方式,即手臂 采用电气传动,而手爪则采用气压传动。3、夹紧机构机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠 的要求。设计制造夹紧机构一-手爪时,首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度 的情况来考虑。其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同 时考虑有足够的开口尺寸,以适应被抓物体的尺寸变化,为扩大机械手的应用范围,还需 备有多种抓取机构,以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体,夹紧力应限制一定 的范围内,并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心
22、结构。为防止突然停电被抓物体落下,还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。夹紧机构形式多样,有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和 携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式的夹紧机构。机械式夹紧机构是最基本的一种,应用广泛,种类繁多。如按手指运动的方式和模仿 人手的动作,可分为回转型、直进型;按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式;按手 指数目可分为二指式、三指式、四指式;按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作,从而控制手爪的张闭。手 爪的回转则用一个直流电动机完成,同时通过两个
23、限位磁头完成回转角度的限位,一般可 设置在180度。4、躯干躯干由底盘和手臂两大部分组成。底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个步进电动机驱 动,根据需要旋转的角度和每步的角度计算出所需要的步数。由PLC给出脉冲数,就能实 现控制,同时,在底盘上装有限位磁头,最大旋转角度可达270度的。手臂是机械手的主要部分,它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本设计中手臂 由横轴和竖轴组成,可完成伸缩、升降的运动。手臂采用直流电动机带动丝杠、螺母来实 现伸缩和升降运动。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的 特点是易于自锁,位置精度较高,传动效率较高。中国矿业大
24、学2012届本科生毕业设计(论文)第7页3 PLC系统硬件构成及传感器选型设计3.1 PLC的构成、特点及其工作原理3.1.1 构成从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括 CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配 置。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,基 本构成为:电源:PLC的电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源,在整个系统中起着十分重要 的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源
25、系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对 电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它 措施而将PLC直接连接到交流电网上去。同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有:交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VDC)。CPU:中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢,是PLC的核心起神经中枢的作用,每套PLC 至少有一个CPU。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和 数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时,首先它以扫描的方
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