工业机械手模型——基于plc的控制系统软硬件设计

工业机械手模型——基于plc的控制系统软硬件设计内容摘要：

进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 PLC 的特点 ① 高可靠性 【 4】 1） 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。 2） 各输入端均采用 RC 滤波器，其滤波时间常 数一般为 10～ 20ms。 3） 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 4） 采用性能优良的开关电源。 5） 对采用的器件进行严格的筛选。 6） 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况， CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。 7） 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 ,使可靠性更进一步提高。 ② 丰富的 I/O 接口模块 【 4】 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。 有相应的 I/O 模块 与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。 ③ 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。 PLC 的各个部件，包括 CPU，电源， I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 ④ 编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机 的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 ⑤ 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。 攀枝花学院本科毕业设计 (论文 ) 2 机械手概述 6 2 机械手概述 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。 工业机械手是工业机器人的一个重要分支。 它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人 和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手的定义与分类 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。 机械手的迅速发展是由 于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。 因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。 尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。 在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。 机械手一般分为三类。 第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。 它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。 它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。 第二类是需要人工操作的，称为操作机。 它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。 第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。 这种机械手在国外称为“ Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动 ，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。 在现代生产企业攀枝花学院本科毕业设计 (论文 ) 2 机械手概述 7 中，自动化程度较高，大量应用机械手。 通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握 PLC 技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。 机械手 发展情况 目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。 在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。 在应用专用 机械手的同时，相应地发展通用机械手，用条件还要研制示教机械手、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，以及用于 不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。 同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。 在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。 目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的 操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。 如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制 系统构成。 执行机构包括手部、手臂和躯干。 手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。 机械手手部 的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。 手指的数量又可以分为二指、三指、四指等 ，其中以二指用得最多。 可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。 本设计采用二指的构造。 手臂的作用是 引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。 为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度 都需要精确地定位。 总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。 躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。 其中以电气、气动用得最多，占 90％以上，液压、机械驱动用得较少。 液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。 它利用液压缸、液 压马达加齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动液压马达、液压缸与齿条、齿轮与链条、链轮等实现回转运动。 液压驱动的优点 是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无攀枝花学院本科毕业设计 (论文 ) 2 机械手概述 8 级变速，自锁方便，并能在中间位置。 缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。 一般采用 4～ 6 个大气压 ，个别达到 8～ 10 个大气压。 它的优点是气源方便，维护方便，成本低。 缺点是出力小，体积大，由于 空气的可压缩性大，很难实现中间位置停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 本设计的手爪部分采用气压驱动。 电 气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。 通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流 的伺服电动机、变速箱等。 电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。 驱动机构和控制系统可以采用同一形式的动力 ，出力比较大。 本设计 采用步进 电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。 机械驱动只适用于 动作固定的场合。 一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。 它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低；缺点是不易调整。 机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。 机械手的控制分为点 位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占 90％以上。 控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。 对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。 本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等。 机械手的发展趋势 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。 这样可以避免 一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。 代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。 我国也陆续在工业中有所应用，对于自 动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高。 随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。 此外还应大力研究伺服型、记忆 再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 攀枝花学院本科毕业设计 (论文 ) 3 控制系统硬件设计 9 3 控制系统硬件设计 对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、 PLC控制等。 但由于此明确指定采用 PLC 可编程控制器控制实现，所以，不用我们去 考虑控制硬件方案，只是要对 PLC 进行比较选择。 PLC 的选型 对于 PLC 的选择，我们必须考虑多方面的因素。 例如输入、输出的最多点数；扫描速度；内存容量；指令条数； 功能模块等。 同时还要考虑其经济实用性 以及工作环境对其的影响。 常用 PLC 介绍 PLC 发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定 区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。 ① 西门子 S7200 系列可编程控制器介绍： SIMATIC S7200 系列 PLC 是德国西门子（ Siemens） 公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。 西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。 西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电 器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。 S7200 作为西门子 SIMATIC PLC 家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行各业。 由于它具有结构小巧，运行速度快，价格低廉及多功能多用途等特点，因此在 工业企业中得到了广泛的应用。 它 适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。 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。 在以下几方面均有出色的表现：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。 应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等 S7200 系列 PLC 在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。 使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。 S7200 产品凭借其先进性、成熟性和广泛的适用性在自动化产品中受到广泛的重视，相信此次发布的新产品一定能够满足部分用户的需求，同时在自动化领域中获得更广泛的应用。 攀枝花学院本科毕业设计 (论文 ) 3 控制系统硬件设计 10 突出的特点： 可靠性高、操作简便； 丰富的内置 集成功能； 强劲通讯能力； 丰富的扩展模块； 简单、易用的 Micro/WIN 编程软件。 S7200 丰富的种类 【 4】 ： CPU221：内置 10 个数字量 I/O 点，不可扩充； CPU222：内置 14 个数字量 I/O 点，可扩充到 78 路数字量 I/O 或 10 路模拟量I/O； CPU224：内置 24 个数字量 I/O 点，可扩充到 168 路数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O； CPU226：内置 40 个数字量 I/O 点，可扩充到 248 路数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O； 16 种扩展模块：数字量扩展模块，模拟量扩展 模块、 PROFIBUSDP 扩展模块、ASI 接口模块。 强大的通讯能力 ： 点到点通讯方式（ PPI） ； 多点接口通讯方式（ MPI） ； 自由通讯口方式（ Freeport） ； PROFIBUSDP 网络通讯方式。