毕业设计（论文）机械手plc控制系统设计及组态联机.doc

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。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上升YV1停止按钮下降YV2上升限位SQ1左转YV3下降限位SQ2右转YV4左转限位SQ3夹紧YV5右转限位SQ4传送带A光电开关PS传送带B 组态软件分析与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，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-1机械手实物图 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（µA），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 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。顺序控制如图所示：图3.1-1 顺序控制图 机械手控制系统的梯形图图 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，停止程序的执行；可以将模式开关打在运行模式，启动模式的执行：也可以将模式开关打在TERM（终端）模式，不改变当前操作模式。如果模式开关打在STOP或者TERM模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复是，CPU会自动进入STOP模式。如果模式开关打在RUN模式，且电源状态发生变化，则当 恢复是，CPU会进入RUN模式。STEP7-Micro/WIN允许改变与之相连的S7-200的操作模式。如果希望用软件来改变操作模式，CPU上的模式开关必须打在RUN或者TERM上。可以用菜单命令中得PLC-STOP和PLC-RUN或者工具栏中得相关按钮来改变操作模式。可以在应用程序中插入STOP指令来将S7-200置为停止模式。它可以使逻辑程序停止运行。图 S7-200系列S7-200系列出色表现在以下几个方面：1)极高的可靠性2)极丰富的指令集3)易于掌握4)便捷的操作5)实时特性6)丰富的内置集成功能7)强劲的通讯能力8)丰富的扩展模块S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8个CPU供使用。CPU单元设计集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器）。S7-200系列在集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。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。如：冲压机床；磨床；印刷机械；橡胶化工机械；中央空调；电梯控制运行系统。S7-200（主机外形如图4.1-2）系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。如表2-2表2-2CPU226的输入输出CUP型号输入点数输出点数CPU2262426图4.1-2 S7-200主机外形4种CPU各有晶体管输出和8个继电器输出两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如表3-3所示。表3-3各CPU型号4.2 组态软件与PLC的通信设计PPI(Point-to-Point)是西门子专为S7-200系列开发的一个通讯协议，为主/从协议，PC机为主站，S7-200为从站。该方式下有两种硬件连接方法，一种是使用PPI电缆将PC机串口和S7-200的通讯口相连，采用串行通讯方式。另一种是PC机通过CP5611通讯卡与S7-200相连。在第一种方式下，使用PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN32安装通讯硬件，在“SET PG/PC Interface”对话框中配置PC/PPI cable,选择Interface Parameter Assignment为PPI，并设置PPI参数默认值,双击通讯框中得刷新图标后建立与S7-200的通信连接。在第二种方式下，将CP5611卡安装在PC机的插槽中，用连接带缆将CP5611卡与S7-200的PORT口相连，安装STEP 7-Micro/WIN32和STEP 7 V5.0 +ServicePack5(或STEP 7 V5.1+ServicePack 2)，运行PG/PC-interface parameterisation，将用户界面配置为CP5611 (PPI)方式。这两种方式的上位机组态王的设置基本相同，首先使用“设备配置向导” 定义外部设备，分别选择西门子S7-200系列PPI通信和西门子S7-200系列通讯卡通信，并设定如下通信参数:波特率9600bps,数据位8位，停止位1位，偶校验。在设定PLC地址时，两种方式有所不同，前者将PLC地址设为默认地址2。 数据采集的实现为实现对PLC“数据交换存储区中”数据的采集，在组态王6.53中定义了4个I/O整型变量，它们分别是QB0、QB1、IB0和IB1，它们采集的数据分别是来自从站PLC用户数据存储区中的VB100、VB101、VB105和VB106四个字节存储单元。4个I/O整型变量QB0、QB1、IB0和IB1。在组态王6.53中，运用这些采集来的数据，通过一种类似C语言的“应用程序语言”编写程序，对采集的数据进行处理，并将程序语言和组态软件中的丰富“动画连接”功能相结合，就可以实现对运料现场的监控，以生动、直观的图像和指示信号显示在监控界面上。数据库是“组态王软件”最核心的部分。在TouchVew 运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为核心，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。 变量和数据的定义机械手一共要从下位机收集到位信号，红绿灯，这些数据是通过驱动程序采集到的，所以几个变量的类型都是I/O离散类型变量。这些变量分别命名为启动按钮，停止按钮，上升限位SQ1，下降限位SQ2，左转限位置SQ3，右转限位SQ4，光点开关PS，上升YV1，下降YV2，左转YV3，右转YV4，夹紧YV5，传送带A，传送带B。而象传送带的动作过程，机械手上升下降动作和物体动作及显示等都是内存实型和内存离散型的变量，象传送带轮A，传送带轮B，物体A，物体B等。详细见下图4.1-1：图数据词典定义量定义方法如下：先选中工程浏览器中左侧的数据库中的数据词典选项。如下图图4.4-2 选项栏图-3基本属性然后双击右边窗口中的新建，弹出如图进行设置。5 组态软件对现场监控的实现 机械手现场画面设计为建立一个新的画面应执行以下操作：在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项，在右侧视图中双击“新建”图标，弹出新建画面对话框，新画面属性设置如下：画面名称： 机械手的模拟控制对应文件：pic00001.pic （自动生成，也可以用户自己定义）注释：配料监控中心主画面画面风格：覆盖式画面位置：左边：0 顶边：0显示宽度：1024显示高度：702画面宽度：1024画面高度：702标题杆：无效大小可变：有效在对话框中单击“确定”，组态王软件将按照您指定的风格产生出一幅名为“机械手”的画面。见下图图 画面设置图下面要做的就是在所给出的框架上绘制自己所做课题的图案，在工具箱中可以选中打开图库，其中有组态王自带的图片库。如图2图 工具箱但是自带图库的图片存量有限，所以可以通过点位图，把网上下载到的一些现成的图片安置到组态软件上。5.2 机械手现场界面设计监控软件的现场运行界面如图所示。 图监控现场通过组态的丰富的动画动作，和PLC的输出量进行数据联接，达到互相控制动作的效果，可以通过组态软件上的动画动作来显示实物的机械手的动作过程，从而达到远程控制，远程监控的目的。因为通过I/O接口接收到的信息都是整型变量，不能直接对组态的图象进行动作的控制，所以需要经过组态里面内制的编程语句对动作物体的动作进行定义，从而达到I/O输入数据和组态动画的同步联接。在此只举一个例子来说明动画动作和联接的设置，如图组图：图5.3-1-A 水平移动图-B垂直移动图-C 旋转移动由于在机械手中，物块的动作比较多，所以在做机械手做抓物体的动作时，并不是用同一个物体来完成其上升，旋转的移动和下降等一系列动作的，而是由多个物块，通过互相交替消失来完成物体的一系列动作，这样可以降低物体程序的设置，同时，因为机械手动作是由限位开关来进行一步一步顺序的动作，所以，通过几个物体消失和出现能比较形象，也比较同步的完成系列动作。通过图（），可以看出，被抓物体是通过4个物体来完成的。他的隐藏和出现的设置如图图 动作抓的隐含表达通过对物块的动作的设置，可以完成机械手整个一系列的动作，在机械臂的动作中也加入了通过消失和显示的替换来完成了其中的一个动作，就是机械臂的旋转，相对于旋转，机械手的上升下降这两个动作的完成要相对简单一点，通过图（5.3-1-B）中的垂直移动的设置就可以完成。结论 经过2个多月的设计，成功的通过了模拟调试，其功能基本达到要求，整个系统稳定性好，而且只需要修改控制程序，就可以让机械手做出不同的动作，控制的柔性很好。 系统的分析和设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探究的过程。在这个过程中，我对利用PLC进行控制系统的设计和开发有了深刻的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，岁控制系统的分析和设计有了深刻的认识和体会，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施。系统运行于调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程，在设计过程中，要边学习边实践，遇到新的问题就不断探索和努力解决问题。在设计中，体会到 和实际相结合。虽然收集了大量的资料，但是实际应用中却有很大差异，出现了许多意想不到的问题。但是经过长时间的摸索，最终还是设计出达到控制要求的系统。致谢毕业意味着一个人 一个阶段学习生涯的结束。在大学里，毕业论文是宣告这一事实的标准。从大一到现在3年的学习3年的磨练，在此刻沉淀成一篇毕业论文。通过这次毕业设计，使我受到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼。我学到了很多书本上学不到的实践知识，尤其是对电子硬件的设计有了更深的理解，了解了设计一个产品从方案的选择到最终投产的一系列的设计阶段，理解了一般的产品调试技术和焊接技术，我真正体会到理论和实践相结合的重要性。再此有无数的感谢！感谢我的家人和朋友，他们的支持和鼓励使我顺利完成学业。感谢教了我3年的老师，那些曾经的岁月，曾经的年华，我们一起走过的路。感谢我的同学们，无论是教室里的切磋，餐桌旁的高谈阔论，还是寝室里的欢声笑语，都曾留下我们美好的足迹。这是我最可宝贵的财富之一。当然，这里最要感谢的是周皓老师，他是我毕业设计的指导老师。衷心感谢他在这段时间对我的帮助和对我的指导！周老师的言传身教，我将谨记于心，老师广博的学识和严谨的治学态度使我受益终生！ 参考文献1 朱绍祥.可编程控制器原理与应用.上海：上海交通大学出版社，1988.2 王兆义. 可编程控制器教程北京：北京机械工业出版社，1993.3 成大光. 机械设计手册北京：北京化学工业出版社，2000. 4 程光蕴. 机械设计北京：北京高教出版社，1999.5 黄华梁. 彭文生.机械设计基础(第3版).北京：北京高等教育出版社,2001.6 王三民. 机械原理与设计课程设计北京：北京机械工业出版社，2004.