PLC在自动化机械手的设计应用.docx
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PLC在自动化机械手的设计应用
摘要
在当今的工业界，只要涉及控制的地方，都离不开PLC这个大脑。
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。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地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,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。
机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。
自上世纪六十年代，PLC设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。
关键字：
PLC、自动化、机械手
目录
一、引言1
二、PLC及其应用2
（一）PLC的概念2
（二）PLC的组成2
（三）PLC工作原理及其特点4
（四）PLC的应用5
三、PLC控制方案分析5
（一）对PLC的选取5
（二）系统的整体设计分析7
四、设计内容8
（一）机械结构和控制要求8
（二）系统硬件设计8
（三）系统软件设计9
五、系统调试11
六、设计总结11
七、致谢词13
参考文献13
一、引言
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。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，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的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地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有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生产的。
随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。
电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。
从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。
20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:
1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:
4，甚至接近5:
5。
我国的气动行业起步较晚，但发展较快。
从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。
随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
由于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、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、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。
所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。
车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。
高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。
在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。
对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。
此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。
如：
气动自动调节病床，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等。
二、PLC及其应用
（一）PLC的概念
可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
（二）PLC的组成
PLC的构成：
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如图1所示：
图1PLC的硬件系统结构
PLC的各组成元素的构成及功能：
1、CPU的构成及功能------CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
2、I/O模块------PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。
3、内存---------内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。
4、电源模块-------PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
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24VAC）。
5、底板或机架-------大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
6、PLC系统的其它设备------i）编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
ii）人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。
iii）输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
7、PLC的通信联网--------依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
（三）PLC工作原理及其特点
PLC的工作原理：
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC的特点：
1.抗干扰能力强、可靠性高。
2.控制系统结构简单，通用性强。
3.编程方便，易于使用。
4.功能强大，成本低。
5.设计、施工、调试的周期短。
6.维护方便。
（四）PLC的应用
初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在20世纪90年代后，PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC更是其中的主角，起应用面越来越广.目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸等行业。
PLC的主要应用范围通常可分成以下几种：
1．中小型电气控制系统。
2．制造业自动化。
3．运动控制。
4．流程工业自动化。
三、PLC控制方案分析
（一）对PLC的选取
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，下图展示一台S7-200MicroPLC的CPU22*系列PLC的CPU外型图如图2，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。
图2S7-200CPU外型图
●CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。
●输入和输出是系统的控制点：
输入部分从现场设备（例如传感器或开
关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。
●电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。
●通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。
●状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。
●通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。
●通过扩展模块可以提供其通讯功能。
●一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。
●EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。
●通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。
图3展示了一个基本的S7-200MicroPLC.它包括一个S7-200CPU模块,一台个人计算机（PC）,STEP7-Micro/win32（3.1版）编程软件,以及一条通讯电缆.为了使用个人计算机（PC）,你必须以下一种设备:
一条PC/PPI电缆；一个通讯处理器（PC）和多点接口（MPI）电缆；一块MPI卡,随MPI卡提供一根通讯电缆。
图3S7-200MicroPLC系统的组成
PLC模块的选择：
采用CPU224的主机和输出扩展模块EM222简要介绍对扩展模块的选取：
S7-200PLC的I/O扩展模块有：
1.输入扩展模块EM221:
共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。
2.输出扩展模块EM222：
共有5种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。
3.输入/输出混合模块EM223：
共有6种产品。
其中DC输入/DC输出的有3种，DC输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为4点、8点和16点。
4.模拟量输入扩展模块EM231。
5.模拟量输出扩展模块EM232。
6.模拟量输入/输出扩展模块EM235。
（二）系统的整体设计分析
整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作，工件通过光电开光进行检测。
机械手的各个动作由汽缸驱动，而汽缸由相应的电磁阀控制。
机械手的全部动作由PLC控制完成。
四、设计内容
（一）机械结构和控制要求
图中为一个将工件由一处传送到另一处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。
当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。
另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。
设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作且运行方式分为单步，单周期，连续三种模式。
即为：
原位下降夹紧上升右移
左移上升放松下降
（二）系统硬件设计
1.输入/输出点地址分配
输入点：
输出点：
启动按钮SB1I0.0原始位开关HLQ0.5
停止按钮SB2I0.5抓球电磁铁YV2Q0.1
下限为开关SQ1I0.1下行接触器YV1Q0.0
上限位开关SQ2I0.2上行接触器YV3Q0.2
右限位开关SQ3I0.3右行接触器YV4Q0.3
左限位开关SQ4I0.4左行接触器YV5Q0.4
2.PLC外围接线图如图4:
图4PLC外围接线图
YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、HL分别接主机的输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5；SB1、SB2分别接主机的输入点I0.0、I0.5；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别接主机的输入点I0.1、I0.2、I0.3、I0.4。
（三）系统软件设计
1.工作流程图如图5:
原始位置
单周期连续循环
图5工作流程
2.功能图如图6:
图6功能图
五、系统调试
（一）.使用设备
在调试中使用的是中国.启动新科教电子仪器公司所生产的XK-TPLCC型可编程PLC控制仪。
主机用的CPU226，还用了EM223和EM235两个扩展模块。
（二）.调试过程
首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。
启动后发现上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这样就不符合设计中八个动作依次有序进行操作的要求，务必对其进行修正。
在这种情况下我采取了以下方案：
方案一：
在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现运行的结果和先前一样出现灯均亮。
这样方案一就以失败告终。
方案二：
通过对程序的再三检查后，发现并未出现语法上的错误。
会不会是运行的速度太快而出现一个周期接一个周期的快速运行呢？
在带着这个问题的情况下把程序的每个动作网络多家了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-Micro/WIN编程软件中运行，运行结果显示没有错误；再下载到可编程控制仪后接好线按下启动按钮，发现指示灯会按照设计动作的要求依次亮起而且程序也能按照设计的要求完成指定的单周期和多周期操作。
这样利用方案二就完成了整个实验的调试。
六、设计总结
通过这次机械手设计让我知道了现代企业在完成自动化控制中离不开PLC的控制，它可以使企业在生产的同时减少劳动力和生产成本。
目前我国很多地区的企业整个生产设备还比较落后且大部分工序都是通过人工来完成的，而机械手成本比较低且操作简单很适合中小企业的发展要求。
但随着科技不断进步我相信多功能复杂的机械手将会在不久的将来出现，所以在今后的学习和生活中我们还要不段的学习和创新，只有这样才能设计出更符合现代社会所需求的产品。
以下是我对其在未来发展方向及展望：
1、重复精度化：
精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。
重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。
重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。
重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。
随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。
气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。
2、模块化：
有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。
模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。
它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。
由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。
优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。
模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。
3、无给油化：
为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。
随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。
4、机电气一体化：
由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。
而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。
气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。
我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。
随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。
由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，可以预见，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领。
七、致谢词
首先，感谢学校对我的栽培，再次郑重地感谢我的导师——黎加强。
老师给予充分的理解和支持，就论文的立意选材、谋篇布局做了必不可少的指导。
即便是出来实习，老师仍然多次通过电话督促、指导论文的写作，其严谨和负责，让一度偷懒懈怠的我倍为感动，也深感惭愧。
其次我还要感谢我的公司和家人。
他们不断的在培育着我，这也是鞭策我不断前进的力量。
时间匆匆而过，三年的校园生活即将要结束，这期间的点点滴滴都在我的记忆里，回望过去，展望未来，相信努力就会有收获！
参考文献
[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术（第三版）[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2008.193-196
[2]丁玉美、高西全.数字信号处理（第二版）[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2008
[3]戴文进、杨植树.电气工程及其自动化专业英语[M].北京：
电子工业出版社，2007
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