四轴联动机械手plc控制系统设计.docx
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四轴联动机械手plc控制系统设计
分类号：
TP29编号：
BY15515211/12/214-0801
XXXX大学
本科毕业论文
题目：
四轴联动简易机械手PLC控制系统设计
院系：
xxxx学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
学生姓名：
指导教师：
论文提交日期：
2012年6月21日
论文答辩日期：
2012年6月26日
毕业设计（论文）任务书
电气工程及其
自动化专业
0801班
学生：
毕业设计（论文）题目：
四轴联动简易机械手PLC控制系统设计
毕业设计（论文）内容：
熟悉工艺流程，利用S7-200系列PLC完成四轴联动简易机械手控制系统设计，并进行相应电气系统设计，绘制系统接线图，编程，调试等。
毕业设计（论文）专题部分：
系统检测点统计，硬件选型，电气系统设计，使用STEP7MICRO/WIN组态软件编程，并使用仿真软件进行调试。
起止时间：
2012年03月---2012年06月
指导教师：
签字年月日
教研主任：
签字年月日
学院院长：
签字年月日
摘要
可编程序控制器（Programmablelogiccontroller）简称PLC，因其可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单，应用领域在迅速扩大。
尤其是近几年来，PLC的成本下降，功能又不断增强，在国内外已被广泛应用于各个行业，已经与工业生产完美的结合在一起。
机械工业的发展中，机械手已经广泛应用在各种自动化生产线上。
搬运机械手的控制一直是机械手领域重要的研究课题之一。
机械手作为一种重要的工业设备，在当今工业生产中占着举足轻重的位置
本次设计以某机械手模型作为平台，设计控制系统。
该系统利用步进电动机单位脉冲所具有的步进距离不变的特点，对其采用开环点位控制，将整个运动视为折线运动，每一个动作可视为运动程序相同、特征参数各异的点位相对运动。
其中如何用PLC准确的控制步进电机的位置与速度将成为本次设计的难点。
本文重点分析了基于PLC的机械手控制系统组成，根据课题的控制要求,确定搬运机械手的控制方案,设计控制系统电气原理图，进行控制系统电气元器件选型,完成PLC用户程序的设计,通过模拟调试，有序的控制物料从生产流水线上安全搬离，提高搬运工作的准确性、安全性，实现一套完整的生产线，使制造过程变的更有效率。
关键词：
机械手;PLC;步进电机;梯形图
Abstract
ProgrammableisreferredastothePLC.Withthehighreliability,adaptabilityinenvironmentandflexibility,thePLCiswidelyusedandexpandinginthefieldsofapplication.Especiallyinrecentyears,thelowcost,increasedfeaturewithoutenhancement,therefore,hecurrentPLChasbeenwidelyusedinvariousindustriesinlandandabroad，andhasbeenwiththeindustryproductionperfectlyunifiesintogether.
WiththedevelopmentofMachineryindustry,themanipulatorhasbeenusedwidelyinvariousautomaticproductionlines.Carryingmanipulatorcontrolhasbeenimportantresearchprobleminmanipulatorfield.Asanimportantindustrialequipment,manipulatorisadecisivepositioninthemodernindustrialproduction.
Thisdesignwithamanipulatormodelasaplatform,designcontrolsystem.ThesystemusedbytheSteppingMotorunitpulseofstepwiththecharacteristicsofthesamedistancefromtheirpointofusingopen-loopcontrol.Sothewholemovementcouldbeseenasbrokenlinemovement,everyactioncanbeconsideredthesameassports,characteristicsofdifferentparametersofthepointofrelativemovement.AmongthemhowtousePLCaccuratecontrolofthesteppingmotor'spositionandspeedwillbethedifficultyofthisdesign
ThispapermainlyanalyzestherobotcontrolsystembasedonPLCcomposition.Accordingtothecontrolrequirements,determinethesubjectofcarryingmanipulatorcontrolplan,designcontrolsystemtocontrolelectricaldiagram,electricalcomponentsselection,completesystemuserprogramdesign,PLC,orderedbysimulativedebuggingofcontrolthematerialmoveoutfromproductionlinesandimprovethesafetyoftheaccuracy,security,realizeacompletesetofproductionline,makemanufacturingprocessbecomemoreefficient.
KeyWords:
Manipulator；PLC；Steppingmotor；Ladder-diagram
第一章绪论
1.1机械手的现状
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种具有抓取和移动工件功能的新型装置。
近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。
气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射等恶劣环境下工作，而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、容易实现过载保护、容易实现复杂的动作等优点。
所以，气动机械手得到了越来越广泛的应用，在机械行业中它可用于零部件组装，工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。
1.2机械手的发展
机械手控制系统是伴随着机械手的发展而进步的。
机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。
同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机械手控制系统的开发奠定了基础。
机械手首先是在美国开始研制。
第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。
结构是：
主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁抓放机构。
日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。
前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。
机械手一般为三类：
一是不需要人工控制的通用型机械手。
它是不属于其他主机的独立装置，可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。
它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能。
二是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。
先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。
三是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。
这种机械手国外叫做“MechanicalHand”。
它由主机驱动，工作程序固定，一半是专用的。
1.3PLC的发展概况
PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代末，美国汽车制造业竞争激烈。
为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：
（1）能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电－接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；
（2）编程简单；（3）模块式结构；输入、输出电压是交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（4）抗电磁干扰强；（5）具有数据通信功能。
就是把继电器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电－接触器控制的硬接线逻辑不易修改。
美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。
1.4PLC的定义
国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC做了如下定义：
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程。
1.5PLC的特点
1、编程方法简单易学
梯形图是使用最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器的电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂。
2、功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程原件，有很强的功能。
可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器控制系统相比，具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。
4、可靠性高，抗干扰能力强
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，PLC外部仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10—1/00，因触点不良造成的故障大为减少。
PLC采取一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。
5、体积小，能耗低
小型的PLC体积仅相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2-1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，可以节省大量的配线和附件。
6、安装、调试工作量少，维修方便
安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
1.6PLC的工作原理
可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。
为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。
（1）读取输入
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映像区的相应单元内。
输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映像区的相应单元的数据和状态也不会改变。
所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）执行用户程序
在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次扫描梯形图。
并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
例如：
算术运算、数据处理、数据传达等。
（3）通信处理
在处理通信请求阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传送给通信请求方。
（4）CPU自诊断测试
自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。
（5）输出刷新阶段
在输出刷新阶段，CPU按照I/O映像区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。
这时才是PLC真正的输出。
（6）中断程序的处理
如果在程序中使用了中断，中断事件发生时，CPU停止正常的扫描工作方式，立即执行中断程序，中断功能可以提高PLC对某些事件的影响速度。
（7）立即I/O处理
在子程序执行中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。
用立即I/O指令读输入点的值时，相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。
用立即I/O指令读来改写输出点时，相应的输出过程映像寄存器的值被更新。
1.7课题的目的和意义
一、提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
二、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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
三、减轻人力，便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，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的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
第二章机械手控制系统方案设计
控制系统支配着机械手按规定的要求运动。
目前机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
2.1设计介绍
机械手作为一种自动化设施，电气系统应完成预设的动作，实现货物的准确搬运。
本课题中的搬运机械手控制系统应具有如下功能：
1、控制系统能够根据PLC输入的指令，准确灵活的控制搬运机械手，完成搬运任务；
2、控制系统能够保证搬运机械手针对生产任务的要求，能够准确完成货物的搬运，保证快速性和准确性兼顾；
2.2机械手基本结构
四轴构成：
横向X轴；纵向Y轴；底盘旋转轴；夹手旋转轴。
机械手结构如下图2-1所示，有气控机械手、XY轴丝杠组、底盘机构、旋转夹手等组成。
其运动控制方式为：
（1）由直流电机驱动可旋转角度为90度的气控机械手；
（2）由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动（有x、y轴限位开关）；（3）由直流电动机驱动的底盘带动整个机械手。
（4）机械手的张合由电磁阀控制。
图2-1机械手的结构示意图
2.3机械手运行的工艺过程
分析工艺过程：
机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，完成一个工作周期。
工作过程的描述：
1）按下起动按钮系统开始运行。
2）当检查取物点有工件时，机械手水平方向的步进电机开始动作，机械手臂开始前伸。
3）当手臂前伸同时，手臂开始下降。
4）前伸、下降到位后，夹手夹紧工件。
5）夹紧到位后，手臂开始竖直上升。
6）上升到位后，底盘旋转，夹手旋转。
7）底盘、夹手转动到位后，纵轴开始下降。
8）到达指定位置后，夹手张开，纵轴上升。
9）上升到位后，夹手回转、底盘回转。
10）夹手、底盘回转到位后，横轴回缩。
11）横轴回缩到位后，机械手臂回到初始状态。
2.4控制方案设计
本设计主要是对机械手进行有序的控制，提高搬运工作的准确性、安全性。
主要由S7-200PLC来进行控制，通过步进电机，直流减速电机，电磁阀来控制搬运机械手的运动。
由于PLC的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图2-2所示的机械手控制系统的功能框图。
图2-2机械手控制系统的功能框图
机械手完成以上工艺主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动、步进电机的运行和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂和夹手的旋转和回转，步进电机控制机械手的上升、下降、伸出和回缩，电磁阀驱机械手爪的夹紧和放松。
第三章控制系统硬件设计
在确定设计方案之后，根据需要实现的功能以及整个系统的性价比对PLC和电气元器件进行选型，设计机械手电气控制系统。
3.1PLC的选型及参数
我选取PLC的是S7-200.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。
具有紧凑的设计、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。
S7-200CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
PLCCPU22X的技术参数如图3-1所示
图3-1PLCCPU22X技术参数
根据本系统的I/O分配以及脉冲输出频率决定选用CPU226的S7200PLC。
3.2电气元器件的选型及参数
3.2.1步进电机的选型
步进电机最大特点是它接受数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。
它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行组件。
而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。
步进电机在精密小型电动机中是一种应用最为广泛的机种。
本次用到的步进电机为2S42Q-02940，如图3-2，步进电机2S42Q-02940参数，如表3-1
图3-2步进电机2S42Q-02940
表3-1步进电机技术参数
型号
2S42Q-02940
步距角
1.8°±5%
相电流（A）
0.87
保持扭矩（Nm）
0.24
阻尼扭矩（Nm）
0.02
相电阻（Ω）
3.3±10%
相电感（mH）
5.0±20%
电机惯量
0.06
电机长度L（mm）
40
引线数量
4
绝缘等级
B
耐压等级
500VAC1分钟
最大轴向负载（N）
10
最大径向负载（N）
21
工作环境温度
-20℃～50℃
表面温升
最高80℃（两相接通额定电流）
绝缘阻抗
最小100MΩ，500VDC
重量（kg）
0.24
引出线长度（mm）
500±3
本课题用到的是两相步进驱动器来完成的步进驱动，PLC无法直接驱动步进电机，所以PLC的输出信号要先经过驱动器进行控制或者细分来使运动更加平稳。
3.2.2步进电机驱动
Kinco®2M412步进电机驱动器（两相双极微步型），如图3-3
图3-3步进电机驱动器Kinco®2M412
Kinco®2M412步进电机驱动器参数如表3-2
表3-22M412步进驱动器技术参数
供电电压
直流12V-40V
输出相电流
0.2A-1.2A
控制信号输入电流
6-20mA
冷却方式
自然风冷
使用环境要求
避免金属粉尘、油雾或腐蚀性气体
使用环境温度
-10℃到+45℃
使用环境湿度
<85%非冷凝
重量
0.13kg
3.2.3直流减速电机
直流减速电机技术参数，如表3-3。
表3-3直流电动机技术参数
型号
额定电压（V）
额定转速（r/min）
额定转矩（mN·m）
额定电流≤（A）
额定功率（W）
M28-831
24
3000
5
0.17
1.54
3.2.4继电器
继电器是一种控制元件，它主要用来反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。
本课题选用JZ11型继电器，具体技术参数参见表3-4。
表3-4JZ-11技术参数
型号
吸引线圈额定电压（V）
吸引线圈消耗功率（W）
触点额定电流（A）
触点数量
JZ-11
直流
12、24、48、110、220
直流7.5
5
动合
动断
6
2
4
4
2
6
3.2.5光电开关
光电开关是利用物体对光束的遮蔽，吸收或反射作用，对物体的位置，形状和标志符号等进行无接触检测。
它具有体积小，可靠性高，检测精度高和响应速度快等优点。
在光电开关中最重要的是光电器件，把光照强弱的变化转换为电信号的传感元件。
光电器件主要由发光二极管，光敏电阻，光电晶体管，光电耦合器等构成了光电开关的传感系统。
3.2.6行程开关
行程开关主要用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程长短，行程开关也称位置开关。
行程开关按结构分为机械结构的接触式有触电行程开关和电气结构的非接触式接近开关。
接触式行程开关靠移动物体碰撞行程开关的操作头而使行程开关的常开触
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