1、 本科生畢業設計基于plc的機械手控制系統設計 學 生 姓 名 所 在 學 院 專業及班級 指 導 教 師 完 成 日 期 摘要本文在了解機械手和plc控制技術的國內外研究現狀及發展趨勢基礎上,選用四自由度液壓機械手作為控制對象進行研究。由于液壓機械手具有大功率、易控制和快速性等特點，在工業各領域得到廣泛的運用。四自由度液壓機械手涉及到了機械設計、液壓系統和控制系統等綜合知識,是典型的機電液一體化系統。本文在分析機械手工作環境和要完成的任務后,選定了機械手的機構；在分析機械手各動作后,對液壓部分進行了分析。液壓部分是控制的關鍵所在，本系統是通過plc控制電磁閥的電磁鐵,從而實現對機械手各動作的

2、控制。通過分析系統對輸入輸出數據釆集的要求,選擇適當的plc、i/o模塊、信號采集元件壓力變送器、分配plc輸入輸出地址、設計控制系統電路和控制柜。最后,本設計以四自由度液壓機械手為對象,采用公司生產的西門子plc和觸摸屏進行控制,用自帶編程軟件step 7 microwin v4.0 sp3與 wincc flexible 2008編程實現機身旋轉、手臂伸縮、手腕轉動和手指夾取等自動、半自動和點動動作。關鍵詞：機械手； plc； 觸摸屏； 傳感器；控制； 程序abstractthis article is based on the understanding of the manipulat

3、or and the plc technology at home and abroad based on the present situation and development trend, selected four-dof hydraulic manipulator as the control object to study.as the hydraulic manipulator with, high-power, easy control and fast, etc. widely used in various industrial fields, four-dof hydr

4、aulic manipulator involve mechanical design hydraulic system control system is a typical mechanical and electronic integration system this article analyzes the manipulator working environment, and mission to complete, then selected the manipulator, while analysis the manipulator motion, analysis the

5、 hydraulic parts. hydraulic part is the key to control, this system control the electromagnet of solenoid valve by the plc, in order to achieve the movement of the manipulator control. pressure transmitter and grating sensor by analysis the hydraulic system on the input and output data collection re

6、quirements. i/o module, signal acquisition components pressure transmitter, plc i/o address distribution, design control system circuit and the control cabinet.finally, the subject is an object with four degrees of freedom hydraulic manipulator, the company production of siemens plc and touch screen

7、 control, with their own programming software step 7 microwin v4.0 sp3 and wincc flexible 2008 programming implementation body rotation, telescopic arm, wrist and fingers point such as automatic, semiautomatic and motion.key words: manipulator; plc; touch screen. the sensor; control; the program目錄第一

8、章緒論11.1課題研究背景及意義11.2研究現狀及發展趨勢31.2.2 plc控制系統的研究現狀及發展趨勢51.3 plc的選擇9第二章機械手機構與液壓系統分析102.1機械手工作環境分析102.2機械手機構分析102.3機械手液壓系統分析112.4機械手設計時應考慮的幾個問題122.4本章小結13第三章機械手控制系統設計143.1機械手動作分析143.1.1機械手運動參數分析143.1.2機械手控制方式分析143.2儀器選型163.2.1可編程控制器簡要介紹163.2.2本系統plc的選型193.3plc控制電路的設計273.4本章小結28第四章plc控制系統程序的設計294.1總程序的設計

9、294.2回原點程序的設計294.3點動程序的設計314.4自動程序的設計344.5觸摸屏程序的設計354.6本章小結37第五章 程序調試與功能實現385.1西門子s7-200的通訊385.2 plc通信39第六章 總結與展望416.1總結416.2展望41致謝42參考文獻43附錄44第一章緒論1.1課題研究背景及意義工業機械手(以下簡稱機械手)是近代自動控制領域中出現的一項新技術,已經成為現代制造生產系統中的一個重要組成部分。機械手的迅速發展是由于它具有的積極作用正日益為人們所認識:其一,它能部分地代替人工操作;其二,它能按照生產工藝的要求,遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和卸載;

10、其三,它能操作必要的機具進行焊接和裝配。因此,它能大大地改善工人的勞動條件,顯著地提高勞動生產率,加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。因而,機械手受到各先進工業國家的重視,并投入了大量的人力物力加以研究和應用,尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染性的場所,應用更為廣泛。隨著現代工業生產的迅速發展,機械手在世界范圍內得以廣泛應用。因而對機械手的控制要求也越來越高,若用傳統的繼電器控制方案進行控制,勢必造成系統元件多,接線繁雜、穩定性差、故障率高,給工業生產帶來很多不便。針對這些問題如果采用性能價格比高的可編程序控制器plc (基于plc的優點在下一節有闡述)設計其控制系統,可使該系

11、統的運行可靠性高、故障率低、維修方便,取得良好的工作效果。programmable logical controller簡稱為plc。但近年來,plc米用微處理器作為中央處理單元,不僅有邏輯控制功能,還有算術運算、模擬量處理甚至通信聯網功能,正確應稱為pc,但為了與個人計算機有所區別,仍稱其為plc2。工作原理如圖1-1所示。圖1-1plc控制系統示意圖plc有以下幾大優點:(一)靈活、通用控制功能改變,只要改變軟件及少量的線路即可實現。(二）可靠性高、抗干擾能力強硬件方面:采用微電子技術 關動作由無觸點的半導體電路及大規模集成電路完成,cpu與輸入輸出之間,采用光電隔離措施,隔離了它們之間電

12、的聯系。軟件方面:有自身的監控程序,對強干擾信號、欠電壓等外界環境定期檢查,有故障時,存現狀態到存儲器,并對其封閉以保護信息;監視定時器wtd,檢查程序循環狀態,超出循環時間時報警;對程序進行校驗,程序有錯誤時輸出報警信息并停止執行。(三)使用簡單采用自然語言梯形圖語言編程方式,編程容易,更改方便。輸入輸出接口可以與各種開關、傳感器、繼電器、接觸器、電磁閥連接,接線簡單。(四)功能強、體積小縱向plc不僅可能完成各種條件控制,還能完成模/數、數/模轉換并進行數字運算,可以完成對模擬量的控制;橫向可以控制一臺至幾臺設備,還可實現遠距離控制;重量輕,體積小,便于安裝。本課題采用可編程控制器plc和

13、觸摸屏實現機械手液壓系統運行過程的手動、半自動和全自動控制,可使控制過程精確可靠,減少了手動工作量,操作過程更加清晰明確,具有重要意義。1.2研究現狀及發展趨勢1.2.1機械手的研究現狀及發展趨勢機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等組成。1、執行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的還增設行走機構。(1)手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同,可分為夾持式和吸附式手部。(2)手腕是聯接手部和手臂的部件,其調整或改變工件方位的作用。(3)手臂支承手腕和手部的部件,用以改變工件的空間位置。(4)立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回轉運動和升降

14、(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。 (5)行走機構機械手為了完成遠距離的操作和擴大使用范圍,可以增設滾輪行走機構。滾輪式行走機構可分為有軌的或是無軌的兩種。(6)機座它是機械手的基礎部分,機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于基座上,故起支承和聯接的作用。2、驅動系統機械手的驅動系統是驅動執行機構運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。(1)液壓傳動是以油液的壓力來驅動執行機構運動。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格,不然有的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響,且不宜在高溫、低溫下工作。(2)氣壓傳動是以

15、壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動。其主要特點是介質來源極方便、氣動動作迅速、結構簡單、成本低。但是,由于空氣具有可壓縮的特性,工作速度的穩定性差,而且氣源壓力較低,適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。(3)機械傳動即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動。其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠、動作頻率高,但結構較大,動作程序不可變。它常被用于為工作主機的上、下料。(4)電力傳動即由特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執行機構運動,因為不需要中間的轉換機構,故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長,維護和使用方便。此類

16、機械手目前還不多,但有發展前途。3、控制系統有電氣控制和射流控制兩種,一般常見的為電氣控制。它是機械手的重要組成部分,它支配著機械手按規定的程序運動,并記憶人們給與機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間),同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令,必要時可對機械手的動作進行監視,當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。4、位置檢測裝置控制機械手執行機構的運動位置,并隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統,并與設定的位置進行比較,然后通過控制系統進行調整,從而使執行機構以一定的進度達到設定位置。5、機械手的發展趨勢機械手目前多數應用于機床、模鍛壓力機的上下料,以及點輝、噴漆等作業

17、,它可按事先制訂的程序完成操作,但普通不具備傳感反饋能力,不能應付外界的變化。如發生某些偏離時,將引起零件甚至機械手本身的損壞。目前工業機械手的應用逐步擴大,技術性能在不斷提高。由于發展時間較短,人們對它有一個逐步認識的過程,機械手在技術上還有一個逐步完善的過程:(1)擴大機械手在熱加工行業上的應用目前國內機械手應用在機械工業冷加工作業中的較多,而在鑄、鍛、燥、熱處理等熱加工以及裝配作業等方面的應用較少。因熱加工作業的物件重、形狀復雜、環境溫度高等,給機械手的設計、制造帶來不少困難,這就需要解決技術上的難點,使機械手更好地為熱加工作業服務。同時,在其它行業和工業部門,也將隨著工業技術水平的不斷

18、提高,而逐步擴大機械手的使用。(2)提高工業機械手的工作性能機械手工作性能的優劣,決定著它能否正常地應用于生產中。機械手工作性能中的重復定位精度和工作速度兩個指標,是決定機械手能否保質保量地完成操作任務的關鍵因素。因此要解決好機械手的工作平穩性和快速性的要求,除了從解決緩沖定位措施入手外,還應發展滿足機械手性能要求價格低廉的電液伺服閥,將伺服控制系統應用于機械手上。(3)發展組合式機械手從機械手本身的特點來說,可變程序的機械手更適應產品改型、設備更新,多品種小批量的要求,但是它的成本高,專用機械手價格低廉,但適用范圍又受到限制。因此,對一些特殊用途的場合,就需要專門設計、專門加工,這樣就提高了

19、產品成本。為了適應應用領域分門別類的要求,可將機械手的結構設計成可以組合的型式。組合式機械手是將一些通用部件(如手臂伸縮部件,升降部件、回轉部件和腕部回轉、俯仰部份等)根據作業的要求,選擇必要的能完成預定機能的單元部件,以機座為基礎進行組合,配上與其相適應的控制部分,即成為能完成特殊要求的機械手。它可以簡化結構,兼顧了使用上的專用性和設計上的通用性,便于標準化、系列化設計和組織專業化生產,有利于提高機械手的質量和降低造價,是一種有發展前途的機械手。(4)研制具有“視覺”和“觸覺”的所謂“智能機器人”對于需用人工進行靈巧操作及需要進行判斷的工作場合,工業機械手很難代替人的勞動。如在工作過程中出現

20、事故、障礙和情況變化等,機械手不能自動分辨糾正,而只能停機,待人們排除意外事故后才能繼續工作。因此,人們對機械手提出了更高的要求,希望使其具有“視覺”、“觸覺”等功能,使之對物件進行判斷、選擇,能連續調節以適應變化的條件,并能進行“手、腳”協調動作。這就需要一個能處理大量信息的計算機,要求人與機器“對話”進行信息交流。這種帶“視覺、觸覺”反饋的,由計算機控制的,具有人的部分“智能”的機械裝置稱為“智能機器人”。所謂“智能”是包括識別、學習、記憶、分析判斷的功能。而識別功能是通過“視覺”、“觸覺”和“聽覺”等感覺“器官”認識對象的。具有感覺功能的機器人,其工作性能是比較完善的,能夠準確地夾持任意

21、方位的物件,判斷物件重量,越過障礙物進行工作,自動測出夾緊力大小,并能自動調節,適用于從事復雜、精密的操作,如裝配作業等,它有著一定的發展前途。智能機器人是一種新興的技術,對它的研究將涉及到電子技術、控制論、通訊技術、電視技術、空間機構和仿生機械學等學科。它是當代自動控制技術的一個新興的領域。隨著科學技術的發展,智能機器人將會代替人做更多的工作。為此,機械手發展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手,設它擁有一定的傳感能力,能反饋外界條件的變化作相應的變更,如位置發生稍些偏差時即能更正,并自行檢測。重點是研究“感覺”功能,將機械手和柔性制造系統和柔性制造單元相結合,從而根本改變目前的機械制造系統的

22、人工操作狀態。1.2.2 plc控制系統的研究現狀及發展趨勢1、plc的運用現狀(1)在制造工業和過程工業中,大量的開關量順序控制,它按照邏輯條件進行順序動作,并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制,及大量離散量的數據釆集。傳統上,這些功能是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968年美國gm(通用汽車)公司提出取代繼電氣控制裝置的要求,第二年,美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置,使得電氣控制功能實現的程序化,這就是第一代可編程序控制器,英文名字叫programmable controller (pc)。(2)隨著電子技術和計算機技術的發生,pc的功能越來越強大,其概念和內涵也不

23、斷擴展。(3)上世紀80年代,個人計算機發展起來,也簡稱為pc,為了方便,也為了反映或可編程控制器的功能特點,美國a-b公司將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器programmable logic controller (plc),并將“plc”作為其產品的注冊商標。現在,仍常常將plc簡稱pc。(4)上世紀80年代至90年代中期,是plc發展最快的時期,年增長率一直保持為3040%。在這時期,plc在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高,plc逐漸進入過程控制領域,在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的dcs系統。(5)目前我國plc生產廠約30家,

24、但沒有形成頗具規模的生產能力和名牌產品,還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產。雖然我國在plc生產方面非常弱,但在plc應用方面,我國是很活躍的,近年來每年約新投入10萬臺套plc產品,年銷售額數十億人民幣,應用的行業也很廣。在我國應用的plc系統中,i/o 64點以下plc銷售額占整個plc的47%,64點256點的占31%,合計占整個plc銷售額的78%。在我國應用的plc,幾乎涵蓋了世界所有的品牌,呈現八國聯軍的態勢,但從行業上分,有各自的勢力范圍。大中型集控系統采用歐美plc居多,小型控制系統、機床、設備單體自動化及oem產品采用r本的plc居多。歐美plc在網絡和軟件方面具

25、有優勢,而日本plc在靈活性和價位方面占優勢。(6)近年,工業計算機技術(ipc)和現場總線技術(fcs)發展迅速,擠占了一部分plc市場,plc增長速度出現漸緩的趨勢,但其在工業自動化控制特別是順序控制中的地位,在可預見的將來,是無法取代的。目前,國外具有代表性的先進的plc生產產家及其主要產品如表所示:表1-1先進plc廠家及主要產品產家名稱主要產品西門子公司simatic s7-400/300/200 系列三菱fx2n/1n/1s、qna 、q系列歐姆龍cpm1a/2a、cqm1h、c200hx/hg/he 及 sysmas cj 系列松下fpq/1/2/3/e系列通用電氣公司ge-i、

26、ge-、ge-v系列羅克韋爾(a-b)公司slc、micrologix、compactlogix北京機械工業自動化研究所mpc-00l/20、kb-20/40系列2、plc控制系統的發展趨勢現在,雖然出現了性能更加優越的dcs和fcs控制系統,從長遠看,plc控制終將也會被先進的fcs控制所取代,但是,在今后相當長的一段時間內,基于以下原因plc還會與dcs和fcs共存:(1)現在企業的確正在朝著自動化、信息化、開放化的方向發展,但這是否就意味著要將現有的控制系統推倒重來呢?答案是否定的。企業投入大量的人力和財力建立起來的plc控制系統已經成型,如果要完全推翻再建立新的dcs或fcs控制系統,

27、需要更大的資金投入,將造成很大的浪費。(2)基于以上市場需求,許多軟件廠商(例如:華富惠通軟件公司)正在考慮如何利用企業已經成型的控制系統及新建的廠級網絡,開發控制系統軟件,幫助企業實現工廠自動化、信息化,為企業提供控制系統與管理網絡的集成。(3)plc的功能增強、結構優化,i/o模塊趨向分散化、智能化,編程工具和編程語言更具標準化和高級化。(4)plc的聯網通信能力增強,能向高速度、多層次、大信息量、高可靠性及開放式的通信發展。(5)現在的plc系統與dcs技術、現場總線i/o技術相結合,使其結構 放、擴展方便、技術先進、價格低廉。由以上分析可以預見,未來plc將朝著多功能化、集成化、智能化

28、、標準化、開放化的方向發展,故plc雖然面臨其它自動化控制系統的挑戰,但同時也在吸收它們的優點,互相融合,不斷創新,在今后一段時間內將與其它先進控制方式并存,共同發展。plc發展至今已有幾十年的歷史,隨著半導體技術、計算機技術和通信技術的發展,工業控制領域已有翻天覆地的變化,plc亦在不斷的發展,正朝著新的技術發展。一是plc網絡化技術的發展,其中有兩個趨勢:一方面,plc網絡系統已經不再是自成體系的封閉系統,而是迅速向 放式系統發展,各大品牌plc除外形成自己各具特色的plc網絡系統,完成設備控制任務之外,還可以與上位計算機管理系統聯網,實現信息交流,成為整個信息管理系統的一部分;另一方面,

29、現場總線技術得到廣泛的釆用,plc與其他安裝在現場的智能化設備,比如智能儀表、傳感器、智能型電磁閥、智能型驅動執行機構等,通過一根傳輸介質(比如雙絞線、同軸電纜、光纜)鏈接起來,并按照同一通信規約互相傳輸信息,由此構成一個現場工業控制網絡,這種網絡與單純的plc遠程網絡相比,配置更靈活,擴展更方便,造價更低,性能價格比更好,也更具 放意義。二是plc向高性能小型化方向發展,plc的功能if.越來越豐富,而體積則越來越小。比如三菱的fx-is系列plc,最小的機種,體積僅為60x90x75mm,相當于一個繼電器,但卻具有高速計數、斜坡、交替輸出及16位四則運算等能力,還具有可調電位器時間設定功能

30、。plc已不再是早期那種只能進行開關量邏輯運算的產品了,而是具有越來越強的模擬量處理能力,以及其他過去只有在計算機上才能具有的高級處理能力,如浮點數運算、pid調節、溫度控制、精確定位、步進驅動、報表統計等。從這種意義上說,plc系統與dcs(集散控制系統)的差別越來越小了,用plc同樣可以構成一個過程控制系統。三是plc操作向簡易化方向發展。目前plc推廣的難度之一就是復雜的編程使得用戶望而卻步,而且不同廠商plc所有編程的語言也不盡相同,用戶往往需要掌握更多種編程語言,難度較大。pid控制、網絡通信、高速計數器、位置控制、數據記錄、配方和文本顯示器等編程和應用也是plc程序設計中的難點,用

31、普通的方法對它們編程時,需要熟悉有關的特殊存儲器的意義,在編程時對它們賦值,運行時通過訪問它們來實現對應的功能。這些程序往往還與中斷有關,編程的過程既繁瑣又容易出錯,阻礙了 plc的進一步推廣應用。plc的發展必然朝著操作簡化對復雜任務的編程,在這一點上西門子就充當了先行者,西門子s7-200的編程軟件設計了大量的編程向導,只需要在對話框中輸入一些參數,就可以自動生成包括中斷程序在內的用戶程序,大大方便了用戶的使用。圖1-2機械手控制系統框圖1.3 plc的選擇本次畢業設計要研究內容是針對實際生產中用到的工業機械手,其整體控制系統框圖如圖1-2所示,使用可編程控制器plc和觸摸屏進行控制,實現

32、運行過程的手動、半自動和全自動控制。主要研究內容如下:1、機械手運動機構和液壓系統分析。2、plc控制系統各個模塊的選用和電路設計。如下表1-2所列。 表1-2 plc控制系統各模塊1西門子s7-200plc4觸摸屏（smart 700 ie）2擴展模塊（en231）5供電電路單元3壓力傳感器（pt210b）6相關控制柜單元與開關3、繪制plc控制系統整體電路圖。4、編制觸摸屏和plc控制程序。第二章機械手機構與液壓系統分析2.1機械手工作環境分析本機械手運用于鍛造車間流水作業生產線上如圖,處于高溫、危險的環境當中。機械手把高溫的大型棒料傳送到即將進行鍛造的傳送帶上。 基于上述分析,機械手要求

33、在高溫、承受重載荷的條件下,能實現對棒料的快速,準確地搬運。這樣就代替了人工的操作,大大地改善工人的勞動條件,顯著地提高勞動生產率。圖2-1機械手樣機圖2.2機械手機構分析工作環境也自然影響到一臺機械手的機構。此臺機械手(圖2-2為示意圖)由手部、手腕、手臂、立柱、支撐機構以及驅動和控制系統組成。圖2-2機械手示意圖課題以四自由度液壓機械手為對象,采用可編程控制器(plc)和觸摸屏進行控制,實現機身升降、機身旋轉、手臂伸縮、手腕旋轉、和手指夾取,如圖所示,其中1為沿立柱作上下移動;2為手臂左右轉運動;3為沿水平方向作伸縮運動柱;4為手指的夾緊、放松運動。2.3機械手液壓系統分析本臺機械手采用液

34、壓驅動,機械手臂升降、收縮和手指夾緊執行元件采用液壓缸,手臂旋轉采用液壓馬達6。液壓換向回路用三位四通閥控制;手臂伸縮設置有緩沖功能,用兩位兩通閥進行控制;手指的夾緊和放松用一個兩位三通閥進行控制;液壓系統的卸荷用兩位兩通閥進行控制。如圖2-3所示:圖2-3液壓系統原理圖2.4機械手設計時應考慮的幾個問題1、應具有足夠的夾緊力在確定手指的握力時,除考慮工件重量外,還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動,以保證工件不致產生松動或脫落。2、手指間應具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的 閉角。手指的閉角應保證工件能順利進入或脫 。若夾持不同直徑的工件,應按最大直

35、徑的工件考慮。對于移動型手指只有 閉幅度的要求。3、應保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置,必須根據被抓取工件的形狀,選擇相應形狀的手指。例如圓柱形工件釆用帶“v”形面的手指,以便自動定心。4、應具有足夠的剛度和強度手指除受到被夾持工件的反作用力外,還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響,要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形,但應盡量使結構簡單緊湊,自重輕,并使手部的重心在手腕的回轉軸線上,使手腕的扭轉力矩最小為佳。5、應考慮被抓取對象的要求(1)抓取形狀手指形狀應根據工件形狀而設計。如工件為圓柱形,則采用v形手指,圓球狀工件用圓弧形三指手指,方料用平面形手指

36、,細絲工件用尖指勾形或細齒鉗爪手指。總之應根據工件形狀來選定手指形狀。(2)抓取部位的尺寸盡可能是不變的,若加工后尺寸有變化,手指應能適應尺寸變化的要求,否則不允許定為抓取部位。對于工件表面質量要求高的,抓取時盡量避開高質量表面或在手指上加軟質墊片(如泡沫塑料、橡皮、石棉襯墊等)以防夾持時損壞工件。(3)抓取數量若用一對手指抓取多個工件,為了不發生個別工件的松動或脫落現象,在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫塑料等,對于較長工件可采用雙指或多指抓取。6、應考慮手指的多用性手指是專用性較強的部件,為適應小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求,可制成組合式的手指。對于這種手指要求結構簡單,安裝維修

37、方便,更換方便。2.4本章小結本章主要對機械手機構與液壓系統進行分析，就機械手運行環境與結構所需要滿足的要求一一列舉，并且對液壓控制系統進行設計。第三章機械手控制系統設計3.1機械手動作分析3.1.1機械手運動參數分析1、抓重:抓取工件為灰鑄鐵,最大重量為30kg;形狀為圓柱體(r=70mm),表面粗糙度ra=6.3;2、最大工作半徑:1600mm;3、手臂運動參數; 手臂最大中心高:900rrirn; 伸縮行程:800mm ;伸縮速度:小于200inrn/s; 升降行程:300mm ;升降速度:小于60mm/s; 擺動范圍:0210 ;擺動速度:小于70 /s;4、定位精度:-3mm+3mm

38、;5、驅動方式:液壓(中、低壓系統);6、手指夾持范圍:50100mm。3.1.2機械手控制方式分析1、液壓系統電磁閥動作順序安排對各電磁閥進行相應的控制從而實現對機械手動作的控制如表2-1:表3-1電磁鐵動作順序表1dt2dt3dt4dt5dt6dt7dt8dt9dt上 升+右 擺+伸 出+伸出緩沖+夾 緊+縮 回+縮進緩沖+左 擺+下 降+卸 荷+2、動作方式圖如3-1所示:圖3-1機械手動作方式圖機械手的控制方式分為三大部分,1)回原點控制;2)點動控制;3)自動控制,其中自動包括半自動和全自動(1)回原點控制:每次開機要進行原點搜索,若檢測到不是原點,則由選擇開關選擇點動操作,手動回原

39、點,并有回原點到位顯示。(2)點動(手動)控制:由操作面板上的選擇手動控制,再由面板上的按鈕分別控制手動控制機械手的十個動作,如圖3-2所示。每個動作都有狀態顯示,以直觀的顯示出各個動作,在動作過程中有位移和壓力傳感器進行檢測,并在觸摸屏相應的畫面中顯示運動數據。圖3-2機械手點動方式圖(3)自動控制:a、半自動控制:由操作面板上的選擇開關選擇半自動控制,機器在原位時,按起動按鈕,自動的完成一個周期的操作,操作完后機器又停在原位上。若在執行過程中,按下停止按鈕,則機器停留該步工序上。再按下啟動按鈕,則又從該步工序繼續工作,最后仍自動地停在原位上,動作過程中有各個動作的狀態顯示燈和進行位移、壓力

40、檢測,并在觸摸屏相應的畫面中顯示數據。b、全自動控制:由操作面板上的選擇 關選擇自動控制方式,機器在原位時,按下起動按鈕,機器就連續周期地重復進行各步序工作。直到按下停止按鈕,機器執行完最后一個工作周期返回原位,然后停機。動作過程中同樣有各個動作的狀態顯示燈和進行位移、壓力檢測,并在觸摸屏相應的畫面中顯示數據。圖3-3機械手自動方式圖b、全自動控制:由操作面板上的選擇自動控制方式,機器在原位時,按下起動按鈕,機器就連續周期地重復進行各步序工作。直到按下停止按鈕,機器執行完最后一個工作周期返回原位,然后停機。動作過程中同樣有各個動作的狀態顯示燈和進行位移、壓力檢測,并在觸摸屏相應的畫面中顯示數據

41、。3.2儀器選型3.2.1可編程控制器簡要介紹1、可編程控制器的基本結構可編程控制器的主要由cpu單元、輸入單元、輸出單元、擴展單元和編程器組成等組成,如下圖3-4所示:圖3-4 plc控制系統示意圖(1)cpu模塊cpu是plc的大腦。起著指揮的作用，其主要功能是：a、編程時接受并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據，并能進行修改或更新。b、 以掃描方式接受現場輸入的用戶程序和數據，并存入輸入狀態表（即輸入繼電器）和數據寄存器所謂輸入影像寄存器。c、 從存儲器中逐條讀出用戶程序，經解讀用戶邏輯，完成用戶程序中規定的各種任務，更新輸出映像寄存器的內容。d、根據輸出所存電路的有關內容實現輸出控制。e

42、、執行各種診斷程序目前，plc中的cpu主要采用單片機，如z80a 8051 8039 amd2900等，小型plc大多數采用8為單片機，中型plc大多數采用16位甚至32位單片機。(2)存儲器plc內部存儲器用來存放plc的系統程序，用戶程序和邏輯變量及數據信息。存儲器分為只讀存儲（rom）和隨機存儲器（ram）兩大類。rom的內容雜使用時只能讀出不能寫入，它的寫入需要使用特殊 的 方法和設備，一旦寫入即使掉電也不會消失，稱為固化。rom主要存放監控程序及已調試好的用戶程序。ram的內容可以隨時由cpu對它進行讀取，寫入，任意修改，但掉電后，信息丟失。用戶程序是使用者為plc完成某一具體控制

43、任務編寫的應用程序，用戶程序在設計和調試過程中要經常進行讀寫操作，為了便于調試、修改、擴充、完成，用戶程序一般使用ram存儲。 ram中的內容在掉電后要消失，所以plc對ram提供備用鋰電池，一般鋰電池使用期為35年左右。 如果調試通過的用戶程序要長期使用，可用專用eprom寫入器把程序固化在eprom芯片中，再把芯片插入plc的eprom插座上。 (3)輸入和輸出輸入(input)模塊和輸出(output)模塊簡稱為i/o模塊,它們是系統的眼、耳、手、腳,是聯系外部現場和cpu模塊的橋梁。輸入模塊用接收和釆集輸入信號,輸入信號有兩類:一類是從按鈕、選擇開關、數字拔碼開關、限位 關、接近 關、

44、光電開關、壓力繼電器等 關量輸入信號;另一類是由電位器、熱電偶、測速發電機、各種變送器提供的連續變化的模擬量輸入/輸出信號電壓一般較高,如直流24v和交流220v。從外部引入的尖銳電壓和干擾噪聲可能損壞cpu模塊中的元器件,或使用權可編程控制器不能正常工作。在i/o模塊中,用光電稱合器,光電可控娃、小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負載,i/o模塊除了傳遞信號外,還有電平轉換與隔離的作用。(4)編程器編程器除了用來輸入和編輯用戶程序外,還可以用來監視可編程控制器運行中各種編程元件的工作狀態。編程器可以永久地連接在可編程控制器上,將編程器取下來后系統也可以運行。一般只在程序邏輯輸入、調試和檢修

45、時使用編程器,一臺編程器可供多臺可編程控制器公用。(5)電源可編程控制器使用220v交流電源或24v直流電源。可編程控制器內部的直流穩壓電源為各模塊內的電路供電,某些可編程控制器可以為輸入電路和外部電子檢測裝置(如接近開關)提供24v直流電源,驅動現場執行機構的直流電源一般由用戶提供。(6)觸摸屏觸摸屏是顯示器和觸摸 關一體型的可編程終端,簡稱pt,是新一代高科技人機界面產品。專為plc應用而設計的觸摸屏集主機、輸入輸出設備于一體,適合在惡劣的工業環境中使用(防護等級達ip65),用它作為人機界面,具有交互性好、可靠性高、編程簡單以及與plc連接簡便等優點。2.可編程控制器的工作過程可分以下三

46、個階段,如下所述:(1)輸入處理程序執行前,可編程控制器的全部輸入端子的通/斷狀態讀入輸入映像寄存器。在程序執行中,即使輸入狀態變化,輸入映像寄存器的內容也不變。直到下一掃描周期的輸入處理階段才讀入這變化。另外,輸入觸點從通(on) 斷(off)或從斷(off) 4通(on)變化到處于確定狀態止,輸入濾波器還有一響應延遲時間(約10ms)。(2)程序處理對應用戶程序存儲器所存的指令,從輸入映像寄存器和其它軟元件的映像寄存器中將有關軟元件的通/斷狀態讀出,從0步開始順序運算,每次結果都寫入有關的映像寄存器,因此,各軟元件(x除外)的映像寄存器的內容隨著程序的執行在不斷變化。輸出繼電器的內部觸點的

47、動作由輸出映像寄存器的內容決定。(3)輸出處理全部指令執行完畢,將輸出映象寄存器的通/斷狀態向輸出鎖存寄存器傳送,成為可編程控制器的實際輸出。可編程控制器的外部輸出觸點對輸出軟元件的動作有一個響應時間,即要有一個延遲才動作。 工作過程示意圖如下:圖3-5 工作過程3.2.2本系統plc的選型在本系統中,輸入開光用觸摸屏代替,輸出控制電磁閥點數為9點,輸出地址分配表如圖且為繼電器輸出。需要對機械手動作的位移、夾緊社的油壓壓力進行檢測,涉及到數字量和模擬量的輸入。考慮預留一定的i/o余量及plc硬件資源充分利用的要求,根據輸入輸出控制要求的分析8,本設計選用西門子公司生產的simatic s7-2

48、00型的可編程控制器。選用em231型的模擬量擴展模塊。各模塊分析完成后,可以搭建plc控制系統框架圖,如圖3-5所示。圖3-6 plc控制系統框架1、各模塊簡要介紹:(1)西門子s7-200plc系列s7-200 cn 系列plc 適用于各行各業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。s7-200 cn 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此s7-200 cn 系列具有極高的性能/價格比。s7-200 cn 系列出色表現在以下幾個方面： 極高的可靠性 極豐富的指令集 易于掌握 便捷的操作 豐富的內置集成功能 實時特性 強勁的通訊能力 豐富的擴展模塊s7-2

49、00 cn 系列在集散自動化系統中充分發揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環境保護設備等等。如： 沖壓機床 磨床 印刷機械 橡膠化工機械 中央空調 電梯控制 運動系統s7-200 cn 系列plc 可提供4個不同的基本型號的8種cpu 供您使用。cpu 221型 本機集成6 輸入/4 輸出共10 個數字量i/o 點。無i/o 擴展能力。6k 字節程序和數據存儲空間。4個獨立的30khz 高速計數器，2 路獨立的20khz 高速脈沖輸出。1個rs48

50、5 通訊/編程口，具有ppi 通訊協議、mpi 通訊協議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數控制的微型控制器。cpu 222 型 本機集成8 輸入/6 輸出共14個數字量i/o 點。可連接2 個擴展模塊，最大擴展至78 路數字量i/o 點或10 路模擬量i/o 點。6k 字節程序和數據存儲空間。4個獨立的30khz 高速計數器，2 路獨立的20khz 高速脈沖輸出，具有pid 控制器。1個rs485 通訊/編程口，具有ppi 通訊協議、mpi 通訊協議和自由方式通訊能力。是具有擴展能力的、適應性更廣泛的全功能控制器。cpu 224 型 本機集成14 輸入/10 輸出共24 個數字量i/o 點。

51、可連接7 個擴展模塊，最大擴展至168 路數字量i/o 點或35 路模擬量i/o 點。16k 字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30khz 高速計數器，2 路獨立的20khz 高速脈沖輸出，具有pid 控制器。1個rs485 通訊/編程口，具有ppi 通訊協議、mpi 通訊協議和自由方式通訊能力。i/o 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。cpu 224xp 型 本機集成14 輸入/10 輸出共24個數字量i/o 點，2 輸入/1 輸出共3個模擬量i/o點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168 路數字量i/o 點或 38 路模擬量i/o點。22k 字節程序和數據存儲空間，6個

52、獨立的高速計數器(100khz)，2個100khz的高速脈沖輸出，2個rs485 通訊/編程口，具有ppi 通訊協議、mpi 通訊協議和自由方式通訊能力。本機還新增多種功能，如內置模擬量i/o，位控特性，自整定pid 功能，線性斜坡脈沖指令，診斷led，數據記錄及配方功能等。是具有模擬量i/o 和強大控制能力的新型cpu。cpu 226 型 本機集成24 輸入/16 輸出共40個數字量i/o 點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248 路數字量i/o 點或35 路模擬量i/o 點。26k 字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30khz 高速計數器，2 路獨立的20khz 高速脈沖輸出，具有pid

53、控制器。2個rs485 通訊/編程口，具有ppi 通訊協議、mpi 通訊協議和自由方式通訊能力。i/o端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能。可完全適應于一些4 復雜的中小型控制系統。本次選擇西門子s7-200系列plc cpu226 cpu 226 cn：功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復雜控制系統的要求。圖3-8 cpu226cncpu226基本參數 表3-2物理特性尺寸 (whd)重量功耗1968062 mm660 g17 w存儲器特性程序存儲器在線程序編輯時非在線程序編輯時數據存儲器裝

54、備(超級電容)(可選電池)16384 bytes24576 bytes10240 bytes100 小時/典型值(40c 時最少70 小時)200 天/典型值i/o 特性本機數字量輸入本機數字量輸出本機模擬量輸入本機模擬量輸出數字i/o 映象區模擬i/o 映象區允許最大的擴展i/o 模塊允許最大的智能模塊脈沖捕捉輸入高速計數器總數單相計數器兩相計數器脈沖輸出24 輸入16 輸出無無256 (128 輸入/128 輸出)64(32 輸入/32 輸出)7個模塊7個模塊246 個6，每個30khz4，每個20khz2個20khz(僅限于dc 輸出)常規特性定時器總數1ms10ms100ms計數器總數內部存儲器位掉電保持時間中斷邊沿中斷模擬電位器布爾量運算執行時間時鐘卡件選項256 個4 個16 個236 個256(由超級電容或電池備份)256(由超級電容或電池備份)1