学士学位论文自动浇注机械手控制系统设计.docx
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学士学位论文自动浇注机械手控制系统设计
编号：
20150105014
本科毕业设计
自动浇注机械手控制系统设计
Designofautomaticpouringmanipulatorcontrolsystem
姓名
学院
信息工程学院
专业
自动化
班级
一班
学号
指导教师
2015
年
6
月
2
日
摘要
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。
减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。
本论文可编程控制器（PLC）选用西门子（SIEMENS）公司S7-200系列的CPU224.机械手的开关量信号直接输入PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制,而电磁阀通过控制相应的汽缸，完成俩个工作台之间的工件搬运，包括左右，上下及工件的夹紧和放松六个动作过程，并可实现手动和自动两个操作过程。
【关键词】PLC可编程控制器机械手
Abstract
Withadvancesinscienceandtechnology,requirementishigherandhigherdegreeofautomation,marketcompetitionisintense,laborcostsrise,previousmanualoperationoftraditionalobjectmovingandstationarybelttransportingway,notonlyoccupythespacestructureisnoteasytobecomemoreproductionline,plustheneedofhumansupervisionoperation,increasedthecostofproduction,theoriginalproductionfeedingdevicefarcannotsatisfytheneedsofthehighlyautomated.Reducelaborintensityandensurethesecurityandreliabilityofproduction,reduceproductioncosts,reduceenvironmentalpollution,improveproductqualityandeconomicbenefitistheenterprisetogeneratemajorissuestobefacedwith.
Flexibleconfiguration,easyconfigurationProgrammablecontroller（PLC）thispaperselectstheSIEMENS（SIEMENS）S7-200seriesCPU224.ManipulatorswitchsignalinputdirectlyandPLC,PLCcontrolledthroughintermediaterelayofelectromagneticvalve,electromagneticvalveandbycontrollingthecorrespondingcylinder,completedtwoworkbenchbetweenworkpiecehandling,includingtheleftandrightsides,topandbottomandworkpiececlampingandrelaxationofsixactionprocess,andcanachievebothmanualandautomaticoperation.
[Keywords]PLCprogrammablecontrollermanipulator
目录
第1章引言1
1.1PLC的控制系统1
1.2PLC的主要功能1
1.2选题背景5
第2章机械手的整体设计8
2.1机械手的控制过程8
2.2PLC选型9
2.3可编程控制器控制盘面板10
2.4机械手的整体设计11
第3章机械手的程序设计15
3.1机械手动作过程的实现15
3.2机械手的手动单步操作程序16
3.3自动控制程序17
第4章PLC机械手的程序调试23
4.1控制系统的程序调试步骤23
4.2调试过程中要注意的事项23
结束语24
参考文献25
致谢26
第1章引言
1.1PLC的控制系统
1.1.1PLC的概述
PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。
自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。
上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。
随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。
目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。
但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：
高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。
它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。
PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。
人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专门为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不是针对某一具体工业应用，在实际应用时，某硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.1.2PLC的主要功能
PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。
PLC系统主要有以下功能：
多种控制功能；
数据采集、存储与处理功能；
通信联网功能；
输入、输出接口调理功能；
人机界面功能；
编程、调试功能。
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。
另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。
PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。
1.1.3PLC的经济分析
综上所述，在各种环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。
对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑：
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；③PLC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。
据调查，目前我国70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。
从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。
而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。
设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。
编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。
1.1.4PLC的基本组成
现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
输入接口
输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
输出接口
输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。
常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
其它接口
若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。
PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。
编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。
编程器有简易编程器和图形编程器两种。
简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。
图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。
电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。
PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
1.1.5PLC的优点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.1.6PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
1.2选题背景
1.2.1机械手简介及发展前景
我国国家标准（GB/T12643-90）对机械手的定义:
“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。
”
机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。
专用机械手:
它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。
如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。
通用机械手:
它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。
它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。
它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。
目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。
目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。
在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。
既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。
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、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。
此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。
使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。
如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
目前已经取得一定成绩。
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）以及微型计算机。
工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。
总之，随着PLC传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高，更重要的是机械手的安全性高，节省人工，提高效率和品质，延长机器寿命，防模具损坏，降低产品不良率，节省原料，降低成本，节省人力，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
1.2.2机械手的行业状况
机械手的应用领域日益扩大，其应用也日益广泛，各种类型机械手是自动化生产中必不可少的重要设备。
尤其是在危险场合，在严重威胁人们安全和健康的环境下，采用机械手代替人，具有十分重要的意义。
珠江三角洲地区塑胶工业是十分发达的，在国内居龙头地位，在国际上珠三角也有世界工厂之称。
目前，该行业使用的注射机专用机械手以台湾生产的居多，如台湾劲力公司生产的劲力牌机械手、台湾威得客国际股份有限公司生产的“威得客”w255系列注射机专用机械手,等等。
随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，，主要包括以下几方面：
1.机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
2.在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。
3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。
4.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
5.宇宙及海洋的开发，军事工程及生物医学方面的研究和试验。
第2章机械手的整体设计
2.1机械手的控制过程
如图2-1所示，机械手的全部动作由汽缸驱动，而汽缸是由相应的电磁阀控制。
其中，上升/下降和左移/右移分别有双线圈两位电磁阀控制。
首先夹紧电磁阀通电，机械手夹紧工件，接着上升电磁阀通电时，机械手上升，当碰到上限限位开关，上升电磁阀断电时，机械手上升停止，此时右移电磁阀通电，机械手向右移动，直到碰到右限限位开关，右移电磁阀断电，机械手停止右移，然后下降电磁阀通电时，机械手下降；当碰到下限限位开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止，最后夹紧电磁阀断电，机械手放松工件。
图2-1机械手示意图
当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。
只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。
同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。
机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。
当该线圈通电时，机械手夹紧；当该线圈断电时，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台无工件时才允许机械手下降。
也就时说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降，用光电开关I0.5进行无工件检测。
2.1.1PLC机械手的原理及流程图
1．机械手在原始位置时（右旋到位）动作，按下启动按钮，机械手臂开始上升，机械手放松，机械手开始前进。
2．机械手上升到上限位置，状态开关动作，上升动作结束，机械手开始左旋。
3．机械手左旋到左限位置，状态开关动作，左旋动作结束，机械手开始抓紧。
4．机械手抓紧到抓紧位置，状态开关动作，抓紧动作结束，机械手开始右旋。
5．机械手开始右旋，状态开关动作，抓紧动作结束，机械手开始下降。
6．机械手下升到下降位置，状态开关动作，下降动作结束，机械手开始后退。
7．机械手右旋到右限位置，状态开关动作，右旋动作结束，机械手开始下降。
8．机械手后退到后退位置，机械手开始放松，一个工作循环过程完毕。
9．机械手的工作方式为：
单步。
机械手的动作顺序如下：
机械手初始位置是后退、下降、逆时针旋转均到底部，机械手成放松状态。
当按下启动按钮后，机械手开始前进，前进到底碰到限位开关，前进动作停止，机械手开始上升，上升到顶端，碰到限位开关，上升动作停止，机械手开始执行顺时针旋转动作，顺时针旋转到底，碰到限位开关，旋转动作停止，机械手开始执行夹紧动作，碰到限位开关，夹紧动作停止，机械手开始执行逆时针旋转，逆时针旋转到底，碰到限位开关，逆时针旋转动作停止，机械手开始下降，下降到底部时，碰到限位开关，下降动作停止，机械手执行后退动作，碰到限位开关，后退停止，机械手放松，此时回到初始位置，一个周期动作完成。
根据机械手的动作顺序，可以画出如图2-2所示的流程图：
图2-2机械手控制系统流程图
2.2PLC选型
根据被控对象要求将与PLC相连的全部输入、输出器件根据所需的电压、电流的大小、种类分别列表统计，考虑将来发展的需要再相应增加10%-15%的余量，估算PLC所需I/O总点数，I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的依据。
根据输入、输出设备的类型和数量，确定了PLC的I/O点数，然后选择相应点数的PLC机型。
世界上PLC产品可按地域分成三大流派：
一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。
美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。
而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。
美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。
本论文首先应明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，再通过PLC的类型、输入输出模块的选择、电源的选择、存储器的选择、冗余功能的选择和高性能价格比，再根据本课题I/O的点数，输入为14和输
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