基于PLC编程的机械手控制毕业设计.docx
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基于PLC编程的机械手控制毕业设计
基于PLC编程的机械手控制毕业设计
第一章绪论
本章阐述了毕业论文选题的背景意义、机械手的发展历史以及自动化控制在工业生产和生活中所体现的应用价值，包括目前的应用范围及发展的前景。
1.1选题的背景意义稍微再加点内容咯
机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。
近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。
机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。
特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。
总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。
国内外都十分重视它的应用和发展。
可编程序控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。
随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。
由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。
机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。
我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。
本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。
通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。
MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用。
本设计通过MCGS组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。
1.2国内外机械手研究概况
机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。
目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。
这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。
第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。
这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。
现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。
它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。
目前机械手技术有了新的发展：
出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。
机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。
国外方面：
近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。
机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
国内方面：
目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。
从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。
1.3自动控制的应用领域
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。
PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC 在其他领域也得到了迅速的发展。
在发达的工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，在我国有越来越多的行业领域开始应用到PLC。
PLC的应用领域主要有数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等几个方面。
1.4本次毕设主要研究的内容
本课题主要研究的是基于西门子S7-300PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。
通过设计编制PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。
利用组态软件MCGS设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，实现机械手的监控。
通过MCGS将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化。
提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。
第二章系统的总体设计
机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成。
本章将介绍所设计的机械手整体结构，给出控制系统和执行机构的框图，并附文字说明。
介绍流程、工作方式及工作特点。
2.1机械手控制系统简介
本次设计的机械手是以工业使用为目的，在一些工业环境下，机械手的工作强度大。
要想在相对恶劣的条件下长时间连续工作，就需要机械手的控制系统更加稳定耐用，从而达到更好的经济收益。
但是，对于控制系统来说，能达到如此的地步，就需要相当的技术标准。
这样来说，成本就将大幅度提高。
作为工业用途的机械手，其过高的成本可以凭借其出色的性能所带来的经济效益来弥补。
可编程序控制器是一种能够适应多种工业环境的控制装置，其稳定的性能受到广大工业生产者的好评。
这种控制系统具有极高的可靠性和灵活性。
应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。
PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC 在其他领域也得到了迅速的发展。
在性能价格比不断提高的同时，它所带来的成果越来越明显。
综上，本次设计的工业用途机械手控制系统将由PLC可编程序控制器作为主要组成部分。
2.2控制系统的组成介绍具体一点，包括机械手的整个结构
控制系统是支配执行系统按规定程序动作得到电气控制装置。
控制系统所控制的因素包括执行系统各部分的动作、动作顺序、位置、时间和速度等。
本次设计的控制系统主要是以可编程序逻辑控制器所输出的离散型指令为指令源。
通过这些数字信号的输出以及其他控制电路的受控行为来指挥供电电路给电动机供电，实现了对模拟机械手的控制。
控制电路的组成主要包括：
可编程序控制器、继电器组和连接电路。
其中，继电器为主要执行模块，PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，通过继电器的开合实现对机械手的控制。
图2.1系统结构框图
在图2.1中可以看出，对供电电路的控制是本次设计的最终目的，也就是说，继电器的开合为控制电路的主要动作。
通过继电器的开合控制机械手的上升、下降、左移、右移、夹紧、放松，这就是继电器组的主要功能。
第三章硬件的设计与选择
本章将给出本次设计的机械手电路原理图和各个主要器件的具体介绍和说明。
原理图中包括了供电回路图和控制回路图。
元器件除PLC以外还包括了继电器组、电机和传感器等。
3.1硬件设计具体点
硬件设计的整体思路就是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的。
3.2可编程序控制器
3.2.1可编程控制器的基本概念与基本结构
随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。
⑴可编程控制器的基本概念
国际电工委员会对PLC作了如下定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来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的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按以于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
⑵可编程控制器的基本结构
可编程控制器
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成，如图1-1所示。
PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
图3.2可编程控制器的基本结构图
⑴CPU模块
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。
⑵I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块它们是联系系统外部设备和CPU模块的桥梁。
⑶编程器
编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监控用户程序的执行情况。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序。
一般用于小型机或用于现场调试和维护。
使用编程软件可以在计算机上直接生成梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。
程序被编译后通过PC/PPI电缆可以下载到PLC中去，也可以将PLC当中的程序上传到计算机当中来。
⑷电源
PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源。
内部的开关电源为各种模块提供不同电压等级的直流电源。
3.2.2可编程控制器的基本特点
可编程控制器具有编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗干扰能力强、系统的设计、安装、调试工作量少、维护工作量小、维护方便、体积小、能耗低等特点。
3.2.3S7-300系列PLC
西门子公司的SIMATICS7-300系列属于中小型PLC，最大可以扩展32个模块。
电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过Ｕ型总线把电源、CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。
单机架结构PLC最多可安装的信号模板（包括SM、FM、CP）总数为8个。
当组成一台PLC需要8个以上的信号模板时，则应增加机架，称为扩展机架，这就是多机架PLC。
各机架之间的通讯是通过接口模板IM（365）实现的。
SIEMATICS7-300系列的CPU有四种工作模式，模式的选择是通过一个钥匙开关进行操作的：
1.RUP-P（即运行-编程）位置：
运行时还可以读出和修改用户程序，改变运行方式。
2.RUN（运行）位置：
CPU执行、读出用户程序，但是不能修改用户程序。
3.STOP（停止）位置：
不执行用户程序，可以读出和修改用户程序。
4.MRES（清除存储器）：
使CPU回到初始状态。
S7-300的可靠性非常高，可以用语句表、梯形图和功能块图编程。
它的指令丰富，简单易学，内置有高速计数器、高速脉冲输出和PID控制器等特殊功能，最大可以扩展到65536点数字量I/O或4096路模拟量I/O，最多有512多KB的程序和数据存储空间。
S7-300提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从RS-485通信/编程接口通讯到自由口模式通讯，从PPI协议通讯到MPI协议通讯，从简单的S7-300之间的MPI通讯到S7-300通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-300通过工业以太网通讯。
在网络需求已日益成为必要的今天，强大的通讯无疑会使S7-300为更多用户服务。
你选择的各个硬件型号是哪些要写清楚
3.2.4PLC接线图
ST5
图3.2工件传送机械手控制接线图
3.2.5开关量I/O模块的选择
⑴开关量输入模块的选择
开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。
开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。
选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。
直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
开关量输入模块的输入信号的电压等级有：
直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。
选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。
一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过10米。
距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。
开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，即汇点式和分组式。
汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。
分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。
对于选用高密度的输入模块（如32点、48点等），应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。
为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。
门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。
⑵开关量输出模块的选择
开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。
开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。
继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。
对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。
但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。
开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。
分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。
选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。
一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。
开关量输出模块的输出电流（驱动能力）必须大于PLC外接输出设备的额定电流。
用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。
如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。
选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。
同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的８点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A（8×2A），通常要比此值小得多。
一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。
开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。
另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。
3.2.6可编程序控制器I/O分配表
表3.1I/O分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
上限位行程开关
ST1
I0.0
上升电磁阀
YV1
Q0.0
下限位行程开关
ST2
I0.1
下降电磁阀
YV2
Q0.1
左限位行程开关
ST3
I0.2
右移电磁阀
YV3
Q0.2
右限位行程开关
ST4
I0.3
左移电磁阀
YV4
Q0.3
下降点动按钮
SB1
I0.4
夹紧电磁阀
YV5
Q0.4
上升点动按钮
SB2
I0.5
原点指示灯
HL
Q0.5
左移点动按钮
SB3
I0.6
右移点动按钮
SB4
I0.7
手动操作方法选择开关
SA1-1
I1.0
回原点操作方法选择开关
SA1-2
I1.1
单步操作方法选择开关
SA1-3
I1.2
单周期操作方法选择开关
SA1-4
I1.3
自动循环操作方式
SA1-5
I1.4
回原点启动按钮
SB5
I1.5
全自动启动按钮
SB6
I1.6
全自动停止按钮
SB7
I1.7
工件检测光电开关
ST5
I2.0
夹紧工件点动按钮
SB8
I2.1
放松工件点动按钮
SB9
I2.2
3.3机械手的动作实现过程
图3.3（b）机械手的动作示意图
第四章软件设计
4.1编程指令的选择
方案一：
使用起保停电路的编程方式。
用辅助继电器代表步，仅仅使用与触电和线圈有关的指令。
编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但因为存在大量的自保持触点，使程序代码较长。
方案二：
采用以转换为中心的编程方式。
这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，会有很大帮助。
方案三：
采用LAD指令的编程方式。
LAD指令（梯形图指令）是西门子公司设计的专门用于顺序控制的指令，使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便，而且易于调试和维护，且代码较短。
经论证本次设计采用的编程方式选用方案三。
4.1.1控制程序的设计
操作时，机械手分为手动操作方式、回原点操作方式、单步操作方式、单周期操作方式和自动循环操作方式。
程序流程图见附录1、顺序功能图见附录2、梯形图见附录3、指令表见附录4。
4.1.2梯形图重点程序段落分析
控制系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式，机械手在最上面和最右边且松开时，称为系统处于原点状态。
左限位开关I0.2、上限位开关I0.0的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”存储器位M0.5接通变为ON，并接通Q0.5，原点指示灯亮。
（1）手动程序与自动程序的切换。
如图，第1逻辑行至第3逻辑行为手动程序与自动程序的切换程序。
接通可编程控制器的电源时，若机械手处于原点状态，M0.5接通，SM0.1接通一个扫描周期，M0.0别置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好了准备。
此时，系统进入自动工作方式。
若在图中，如果第1逻辑行中的M0.0未被置位，也就是说，机械手未被处于原点状态，此时系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作，系统为手动工作方式。
（2）手动程序。
在图中，第4逻辑行至第9逻辑行为手动控制程序。
将转换开关SA1扳至单步方式，I1.2在第11逻辑行中的常闭触点断开，系统执行手动程序。
（3）自动程序。
在图中，第10逻辑行至第20逻辑行为不包括自动返回原点的自动控制程序。
当把选择开关扳向自动位置时，I1.4的常开触点闭合，此时系统进入不包括自动返回原点的自动控制程序。
在第10逻辑行中，按下启动按钮I1.6时，M0.7接通并自锁，且第11逻辑行中的M0.6也接通，使得M0.6在第12逻辑行至20逻辑行中的常开触点闭合，允许转换为自动工作方式，若系统处于原点状态，接通电源则M0.0接通。
自动程序包括单周期工作方式和全自动工作方式。
（4）返回原点程序。
在初始状态下，若系统不在原点是，则需要将系统返回原点。
在图中，第28逻辑行和第29逻辑行为返回原点程序。
这里的图一个都没看见
图4.2
图4.3
图4.4
图4.5
图4.6
图4.7
图4.8
4.1.3PLC程序的调试
由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。
但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。
因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。
在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。
在使用LAD指令编程时，刚开始由于对LAD指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上机械手模型装置本身存在的一些问题，所以在调试程序时，机械手动作不符合控制要求。
经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。
机械手运行良好，动作正确、符合控制要求。
PLC外部电气接线图见附录5。
接线图可以放在论文中
4.2组态软件设计
运用组态软件建立机械手监控系统亦为任务要求。
采取上位机观察能更直观的显示出整个模拟自动控制过程，丰富了毕业设计内容，更会体现出对学生考核的全面性及综合性。
可以对MCGS介绍一下
4.2.1变量的定义
图4.9变量的定义过程
在利用组态软件的编辑过程中，首先应定义所要用到的变量，包括变量的描述，变量的类型，定义变量地址，选择连接的设备，寄存器。
也有些是原系统内部已经定义好的变量，如时间和日期等等，可以直接放入界面使用，并且会访问到操作系统的时钟。
在定义变量的过程中，应将从PLC中直接input\output的信号变量定义为离散型信号，如启动，停止等。
而在自动控制过程中调用从预先写入寄存器内的参数时，应将此类信号变量设置为整型变量，如左移长度、右移长度等等。
4.2.2界面的设计
图4.10界面的设计
本次设计的界面比较简陋，没有模仿机械手的多角度效果，只是显示出机械手的左右移动、上下移动，和夹紧、松开动画。
当按下启动按钮时会实现连续运行功能，直到按下停止按钮或复位按钮；当按下单步按钮时，只会实现单步运行的功能。
每个按钮都有相应的指示灯指示。
具体实现方法会在下节说明。
4.2.3运行策略的建立及脚本程序的编写
1、运行策略的建立监控部分要一步一步都要写清楚，这里太简单了点
进入“运行策略”窗口中，双击进入“循环策略”窗口，右键单击点击工具条，选中“新增策略行”，增加一策略行。
单击“策略工具箱”中的“脚本程序”将鼠标指针移到策略块图标上，单击鼠标左键，添加脚本程序构件。
图4.23循环策略窗口
4.2.4组态运行
保存所有组态设置，然后关闭组态监控程序。
将PLC程序下传到PLC装置中并让其运行，切换到离线状态，然后启动MCGS，进入组态工程运行界面。
在运行中通过对按钮的操作可检测所编程序的正确与否。
经过运行测试，该组态监控软件可对机械手控制系统的动作过程进行有效监控，PLC程序达到了控制要求。
图4.15模拟演示
上图并为运行组态软件进入演示画面，运行机械手如图4.15所示，动画连接成功。
结束得太快了点
结论
在本次课题设计中，机械手模型控制系统采用PLC进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。
同时，使用PLC进行控制可方便更改生产流程，增强控制功能。
通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制系统的不同工作需求，机械手控制系统具有了很大的灵活性和可操作性。
利用组态软件MCGS对机械手控制系统进行监控，可以以最少的人员配置来加强对机械手的管理，提供
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