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1、健雄职业技术学院毕业设计（论文）1绪论随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展。机械手最早应用在汽车制造工业，常用与焊接、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。低温和高热等恶劣的环境中工作；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。目前主要塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手和数控加工中心，应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造和金属加工等工业。机械手和数控加工中心，自动搬运小车和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（CIM）,实
2、现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。继电器组成的控制系统是最早的一种实现机械手控制的方法。但是，进入90年代，随着科学家技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对机械手的安全性、可靠性、准确性的要求越来越高，继电器弱点就越来越明显。可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广泛的通用工业控制装置，成为当代自动化的主要支柱之一。机械手控制要求接入设备使用简便，对应系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC
3、对程序设计，提高了机械手的控制水平，并改善了机械手运行的灵活性。因此PLC在机械手控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。2控制系统分析随着PLC的功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务。但是PLC还是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析控制对象的控制过程和要求，看看用什么控制装备（PLC单片机、DSC或者IP）来完成该任务的最合适。控制对象及控制装置（选定为PLC）确定后，还要进一步确定PLC的控制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器进行直接的测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC完成。另外，如紧急停车环节，对主要控制对象还要加
4、上手动控制功能，这是需要在设计电气系统原理图与编程时统一考虑。2.1系统输入、输出与PLC的硬件连接依据CPU224模块的主要技术指标和对运料系统的分析，确定系统的输入和输出与PLC的数字量输入点和输出点的硬件连接，如表1-1所示的I/O 分配表。表1-1 I/O 分配表输入输出起动按钮I0.0上升YV1Q0.1停止按钮I0.5下降YV2Q0.2上升限位SQ1I0.1左转YV3Q0.3下降限位SQ2I0.2右转YV4Q0.4左转限位SQ3I0.3夹紧YV5Q0.5右转限位SQ4I0.4传送带AQ0.6光电开关PSI0.6传送带BQ0.72.2 组态软件分析与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要
5、组装一台电脑，事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个“部件”都很灵活，因为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格（如大小、性状、颜色等）。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能
6、适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。如AutoCAD，PhotoShop，办公软件(PowerPoint)都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。虽然说组态就是不
7、需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供一些灵活性，组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的甚至支持VB。 2.3 机械手工作流程送带B处于连续运行状态，故不需要用PLC控制。机械手及传送带C 顺序动作的要求是：a) 按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作；b) 左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作；c) 下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作；d) 启动传送带A运行，由光电开关SP检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；e) 手臂再次上升，至
8、上升限位开关再次动作；f) 右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作；g) 手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；h) 放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。i) 按下停止按钮SB2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。图2.3-1机械手实物图2.4 外围控制方式光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并
9、与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（A），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。图2.4-1 光电开关工作示意图光电开关分透射式和反射式两种。透射式光电开光是发光器和受光器的光轴重合，当有不透明的物体位于或经过期间时，受光器不能接收到发光器发出的光。反射式光电开关是发光器和受光器的光轴在同一平面以某一角度相交，当有物体经过其交点时，接收元件将接收到从物
10、体表面反射的光，没有物体时则接收不到。当然也可以使用其他传感器，如红外线传感器、行程开关等。红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。行程开关一种由物体的位移来决定电路通断的开关，在日常生活中我们最易碰到的例子就是冰箱了，行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程
11、开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在本课题中行程开关运用在机械手上下到位，左右旋转到位等部件上，用于控制机械臂动作的范围。行程开关用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。 这种开关有接触式的和非接触式的。 接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一
12、定的“超行程”以保护开关不受损坏。 非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等。限制位开关在机械手中的作用主要是用来提示机械手的动作是否已经到位，在本课题的机械手中有4个限位开关，分别是上限位开关，下限位开关，左旋转限位开关和右旋转限位开关。3 PLC对机械手控制系统的实现3.1 顺序控制设计法如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行，这样的控制系统称为顺序控制系统，也称为步进控制系统。其控制总是一步一步按顺序进行。在工业控制领域中，顺序控制系统的应用很广，尤其在机械行业，几乎无例外地利用顺序控制来实现加工的自动
13、循环。所谓顺序控制设计法就是针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。这种设计方法很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。PLC的设计者们为顺序控制系统的程序编制提供了大量通用和专用的编程元件，开发了专门供编制顺序控制程序用的功能表图，使这种先进的设计方法成为当前PLC程序设计的主要方法。顺序控制设计法的设计步骤 采用顺序控制设计法进行程序设计的基本步骤及内容如下：a) 步的划分顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步，并且用编程元件（辅助继电器M或状态器S）来代表各步。步是根据PLC输出状态的变
14、化来划分的，在任何一步之内，各输出状态不变，但是相邻步之间输出状态是不同的。步的这种划分方法使代表各步的编程元件与PLC各输出状态之间有着极为简单的逻辑关系。步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象工作状态的变化应该是由PLC输出状态变化引起的。b) 转换条件的确定使系统由当前步转入下一步的信号称为转换条件。转换条件可能是外部输入信号，如按钮、指令开关、限位开关的接通/断开等，也可能是PLC内部产生的信号，如定时器、计数器触点的接通/断开等，转换条件也可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编
15、程元件去控制各输出继电器。c) 功能表图的绘制根据以上分析和被控对象工作内容，步骤，顺序和控制要求画出功能表图。d) 梯形图的编制根据功能表图，按编程方式写出梯形图程序。顺序控制如图3.1-1所示：图3.1-1 顺序控制图3.2 机械手控制系统的梯形图图3.2-1 PLC梯形图4 PLC和组态王通信方式的实现4.1 PLC概论这SIMATIC s7-200 系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价比。主站电缆的DIP开关S7-200有两种操作模式：停止模式和运行模式。CPU前面板上的LED状态显示了当前的操作模式。在停止模式下，S7-200不执行程序，可以下载程序和CPU组态。在运行模式下，S7-200将运行程序。S7-200提供一个模式开关来改变操作模式。可以用模式开关（位于S7-200前盖下面）手动选择操作模式，启动程序的执行；也可以将模式开关打在停止模式，停止程序
