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机械手控制系统设计(完整版).doc.pdf
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机械手控制系统设计
摘 要
在工业生产和其他领域内,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒
气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危及生命。自从机械手问世以
来,相应的各种难题迎刃而解。
本次设计根据课题的控制要求 ,确定了搬运机械手的控制方案 ,设计控制系统
的电气原理图,对控制系统进行硬件和软件选型,完成 PLC(可编程控制器)用户程
序的设计。设计中使用了德国西门子公司生产的 S7-200 系列的 CPU 226。该系列
PLC 具有功能强大,编程方便,故障率低,性价比高等多种优点。机械手的开关量
信号直接输入 PLC,使用 CPU 226 来完成全部的控制功能,包括:手动/自动控制切
换,循环次数设定,状态指示,手动完全操控等功能。机械手完成下降、伸出、加
紧工件、上升、右旋、再下降、放松工件、缩回、放松、左旋十个动作。通过模拟
调试,有序的控制物料从生产流水线上安全搬离,提高搬运工作的准确性、安全性,
实现一套完整的柔性生产线,使制造过程变的更有效率。
通过本次毕业设计,对 PLC 控制系统的设计建立基本的思想:能提出自己的应
用心得;可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识,进一步培养和训练
分析问题和解决问题的能力,进一步提高自己的设计、绘图、查阅手册、应用软件
以及实际操作的能力,从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训
练。
关键词:机械手;PLC(可编程控制器);CPU;梯形图
II
The Design of Manipulator Control System
ABSTRACT
In industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many
workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature,
corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial their
lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly
solved.
The design requirements under the control of the subject to determine the handling
robot control program, designed control system electrical schematic diagram, the control
system hardware and software selection, complete the design of the user program in the
PLC (programmable controller). Design used in the German company Siemens S7-200
series CPU 226. The series PLC with powerful, easy programming and low failure rate,
and cost advantages. Robot switch signal input to the PLC, the CPU 226 to complete all
the control functions, including: manual / automatic control switch, set the number of
cycles, status indicator, manual complete control and other functions. the production line
on the safe move out, so that the manufacturing process becomes more efficient.
The graduation project, the design of PLC control system to establish the basic idea:
to make their own application experience; can strengthen and deepen the most of the
former continued the basic theory and professional knowledge, further training and
training to analyze and solve problems the ability to further improve their design,
drafting, inspection manuals, application software, as well as the actual ability to operate,
and ultimately related jobs and job base in key skills and basic skills training.
Key Words: Manipulator;PLC;CPU;Ladder-diagram
目 录
第 1 章 绪论 ........................................................... 1
1.1 机械手的背景与现实意义 ......................................... 1
1.2 国内外机械手研究概况 ........................................... 1
1.3 机械手控制存在的问题及最新发展 ................................. 3
1.3.1 利用单片机实现对机械手的控制 ............................. 3
1.3.2 利用传统继电器实现对机械手的控制 ......................... 3
1.3.3 PLC 实现对机械手的控制 .................................... 3
1.4 本文主要工作 ................................................... 5
第 2 章 机械手控制系统工艺流程与总体方案设计 ........................... 6
2.1 机械手控制系统的流程设计 ....................................... 6
2.2 机械手的工艺过程 ............................................... 6
2.3 机械手总体控制方案的设计思路 ................................... 7
第 3 章 机械手硬件系统设计 ............................................. 9
3.1 电气原理设计 ................................................... 9
3.1.1 机械手电源电路设计 ....................................... 9
3.1.2 机械手控制电路 ........................................... 9
3.1.3 工作状态指示灯电路 ....................................... 11
3.1.4 LED 段码指示电路 ......................................... 11
3.2 PLC 的选型及参数 .............................................. 12
3.3 电器元器件的选型 .............................................. 13
3.3.1 接触器 .................................................. 13
3.3.2 行程开关 ................................................ 14
3.3.3 熔断器 .................................................. 14
3.3.4 低压断路器 .............................................. 14
3.3.5 控制按钮 ................................................ 14
3.3.6 直流减速电机 ............................................ 14
第 4 章 机械手软件系统设计 ............................................ 15
IV
4.1 设计任务和控制要求 ............................................ 15
4.2 高级指令说明 .................................................. 15
4.2.1 定时器指令 .............................................. 15
4.2.2 顺控继电器(SCR)指令 ..................................... 17
4.2.3 传送指令 ................................................ 17
4.2.4 计数器指令 .............................................. 18
4.2.5 标准转换指令 ............................................ 20
4.2.6 段码指令 ................................................ 20
4.3 PLC 的 I/O 接口功能设计与分配 .................................. 20
4.3.1 PCL 的 I/O 接口功能设计 ................................... 20
4.3.2 I/O 接线图 ............................................... 23
4.4 设计系统工作流程 .............................................. 24
第 5 章 机械手控制系统调试 ............................................ 25
5.1 西门子 S7-200 系列 PLC 编程软件 ................................. 25
5.2 程序说明 ...................................................... 26
5.3 故障及其解决方案 .............................................. 31
第 6 章 总结 .......................................................... 33
参考文献 ............................................................. 34
谢辞 ................................................................. 35
附录 程序清单 ........................................................ 36
1 绪论
1.1 机械手的背景与现实意义
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。
机械手最早应用在汽车制造工业,常用于焊接、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
热等恶劣环境中的工作;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
机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心,自动搬运小车与自动检测系
统可组成柔性制造系统(FMS )和计算机集成制造系统(CIMS ),实现生产自动化
[1]
。
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,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。综上所述,有效的应用机械手,是发展机械工业的必然趋势。
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
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