基于西门子PLC机械手控制系统毕业设计.docx
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基于西门子PLC机械手控制系统毕业设计
基于西门子PLC机械手控制系统设计
摘要
可编程控制器是在继电接触控制器的基础上,结合先进的微机技术发展起来的
一种新型的工业控制机。
它发展迅速,应用广泛,特别适合于顺序控制,是机械自动
化中一种基础的控制设备。
它将填补继电接触控制与微机数控之间的一大块空白。
此机械手系统是一个教学模型,它模拟工业生产过程中的某种自动化设备,可
以完成零组件的组装、检测、移送等任务。
本文以该模型为例,论述了机械手的结
构组成及工作原理,提出了五种工作方式的控制要求,并针对这些控制要求提出了
S7-300型PLC控制系统的控制方案,进而阐述了PLC控制系统的设计过程以及步
进程序的梯形图实现方法,并在PLC系统上进行了调试。
实践证明,此机械手能
按预定的顺序动作,设计方案合理,控制特性良好,对应用PLC进行工业设计有
一定的借鉴作用。
关键词:
机械手,PLC,控制,西门子
I
基于西门子PLC机械手控制系统设计
Abstract
PLCisanew-styleindustrycontrol,based
on
thecontrol
of
relay-contact
instrumentsandcombinedwithadvancedcomputertechnology.Ithasdevelopedfast
andiswidelyused,inparticular,itisquitesuitableforthecontrolofsequence.Andit
becomesabasicequipmentofmechanicautomation.PLCwillfillawidegapbetween
thecontrolofrelay-contactandcomputerNC.
Thismanipulatorsystemisateachingmodel,whichsimulatessomeautomation
equipmentintheprocessofindustrialproduction,andcancompletethetaskof
assembling,testing,transferringthecomponentsandothertasks.Takingthismodelas
anexample,thispaperdescribesthecomposition,thestructureandtheworkingprinciple
ofthemechanicalhand.Italsoputsforwardthecontrolrequirementsoffiveworking
methodsandthecontrolprogramofS7-300typePLCcontrolsystem,thenexpounded
thedesignprocessofthePLCcontrolsystemsandtheproceduresoftheladderstep,
whichhasbeendebuggedonthePLCsystem.Practicehasshownthatthismechanical
handcanactaccordingtothescheduledorder,andhasreasonabledesignandgood
control,whichcangivesomereferencetotheindustrialdesignofthePLCapplication.
Keywords:
manipulator,PLC,control,simens
II
基于西门子PLC机械手控制系统设计
第一章绪论......................................................
1.1研究背景......................................................
1.2课题的研究目的及意义..........................................
1.3气动机械手发展概况............................................
1.4研究内容和拟解决的问题........................................
第二章机械手的结构及工艺要求......................................
2.1机械手的结构..................................................
2.2机械手的工作原理..............................................
2.3机械手的控制要求..............................................
第三章机械手的硬件设计............................................
3.1控制方案设计..................................................
3.2气动驱动系统设计..............................................
3.3控制面板设计..................................................
3.3.1电源..............................................................9
3.3.2操作方式转换按钮..................................................9
3.3.2输入按钮.........................................................10
3.3.3指示灯...........................................................10
第四章机械手的控制系统设计.......................................1
4.1电气主回路设计...............................................1
4.2系统控制电源设计.............................................1
4.3输入、输出点统计.............................................2
4.4PLC硬件设计.................................................5
4.4.1硬件选择.........................................................15
4.4.2硬件配置图.......................................................15
4.4.3I/O信号地址分配表...............................................16
4.4.4DI32×24VDC数字量输入模板的端子接线图和框图...................18
4.4.5DO32×24VDC/0.5A数字量输出模板的端子接线图和框图..............21
第五章机械手的软件设计...........................................5
5.1工艺流程图...................................................5
5.2程序设计.....................................................7
III
基于西门子PLC机械手控制系统设计
5.3符号表.......................................................8
5.4源程序.......................................................8
5.4.1手动电路控制程序................................................29
5.4.2循环电路控制程序................................................29
5.4.3单周期电路控制程序...............................................29
5.4.4步进电路控制程序.................................................29
5.4.5回原点电路控制程序...............................................29
5.4.6故障报警电路控制程序.............................................29
5.4.7输出电路控制程序.................................................29
5.5系统调试.....................................................9
5.6调试过程中遇到的问题.........................................0
5.7本程序的特点.................................................0
第六章结论与展望.................................................1
6.1结论.........................................................1
6.2展望.........................................................1
参考文献........................................................2
致谢...........................................................3
附录...........................................................4
①手动电路控制程序(network1-network11)..............................34
②循环电路控制程序(network12-network30).............................36
③单周期电路控制程序(network31-network49)...........................40
④步进电路控制程序(network50-network110)............................45
⑤回原点电路控制程序(network111-network117).........................55
⑥故障报警电路控制程序(network118).................................57
⑦输出电路控制程序(network119-network128)...........................57
IV
基于西门子PLC机械手控制系统设计
第一章绪论
[1]
[2]
机械手是一种模仿人手动作,并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、
搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置。
以往的机械手是采用继电器—控制器控制气压系统,其控制系统复杂,机械
触点多,大量的接线使系统的可靠性降低,设备的工作效率下降,自动化程度不
高,安全系数低。
因此,我们决定改用由技术先进、可靠性非常高的可编程控制
器控制的气动机械手来代替,这使得机械设备更灵活有效,动作更准确,从而使得
劳动生产率大大提高。
1.1研究背景
[3]
在工业生产和其它领域内,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,这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。
机械手一般由耐高温,抗腐蚀的材料制成,
在自动化车间中用来运送物料,从事焊接、喷漆、装配等工艺操作,可将操作工
人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来,大大降低了工人的劳动强度。
特
别是在高温、危险、有害的作业环境,可用机械手代替人的部分操作,大大提高
了工作效率,保证了产品质量。
1.2课题的研究目的及意义
[4]
工业机械手是一种模仿人手动作,并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓
取、搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置。
生产中应用机械手
可以大大提高生产的自动化水平和劳动生产率、保证产品质量、实现安全生产;
尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境
下,代替人进行正常工作,意义更为重大。
机械手若用传统的继电器逻辑线路进
行控制,不但结构复杂,控制柜体积大,而且各继电器均在运动中动作,易受车
体振动等干扰,可靠性差。
而可编程控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、编程
方便、易于使用和修改、环境要求低、体积小巧、安装调试方便、控制简单等特
点,在工业控制中有着广泛的应用。
为此,我们改用由PLC控制的气动机械手来
代替,经试验满足生产线对该部件的要求,使电路简化,并且控制方便、结构简
单、价格便宜、可靠性高。
1
基于西门子PLC机械手控制系统设计
1.3气动机械手发展概况
[5]
机械手主运动臂的控制方式主要由PLC控制气缸驱动,这种控制方式的优点
是结构简单、价格低廉、无污染,因此,在工业生产中得到越来越广泛的应用,
己成为自动化不可缺少的重要手段,备受人们的重视。
尤其是气动技术已能使气
缸在高速运动下实现任意点自动定位,而气动机械手也相应得到发展,突破传统
的定位方法,本人研究的就是基于气动技术的工业机械手。
1.4研究内容和拟解决的问题
此课题是利用可编程控制器PLC实现对机械手系统的控制。
此机械手系统模
拟工业生产过程中的某种自动化设备,可以实现零件的组装、检测、移送功能。
该装置采用台式结构,由气动组立机械手、旋转式供料盘、储料仓、操作面板等
组成,并配有控制器(PLC)、传感器(光电式、电磁式)、步进电机、操作按
钮、电磁阀、减压阀等,构成典型的机电一体化模型。
在设计时,我们首先要了
解工业机械手的结构及工作原理,并熟悉机械手系统的工艺,然后根据工艺要求
指出系统所用的检测元件及执行机构,并列出其电气参数。
在查阅资料时,总结
出他人的设计方案,比较这些方案的优缺点,并提出自己的改进方案。
在做好上
述工作后,来完成对控制系统的设计,包括电气主回路设计、系统输入/输出点
统计、PLC系统配置选型、接线原理图设计、PLC系统控制软件设计等步骤。
气
动机械手设计的主要任务包括:
1.执行元件:
气动气缸
2.控制方式:
PLC控制
3.控制要求:
顺控方式
4.主要电气参数:
①电源:
AC220V±10%(带保护地三芯插座)
②气源压力:
0.6~0.8MPa
③电磁阀:
Y1~Y9为DC24V,100mA线圈
④电动机M:
三相异步电动机AC380V,3kW
2
基于西门子PLC机械手控制系统设计
第二章机械手的结构及工艺要求
2.1机械手的结构
[6]
此课题是利用可编程控制器PLC实现机械手系统的控制,此机械手系统是
一个教学模型,其模拟工业生产过程中某种自动化设备,可以实现零件的组装、
检测、移送功能。
该装置采用台式结构,由气动组立机械手、旋转式供料盘、储
料仓、操作面板等组成,并配有控制器(PLC)、传感器(光电式、电磁式)、
步进电机、操作按钮、电磁阀、减压阀等,构成典型的机电一体化模型。
其结构
分别如图2-1和图2-2所示。
图2-1机械手模型正面结构示意图
1-手臂转动回转气缸;2-水平(X轴)移动滑台气缸;3-垂直(Y轴)移动滑台气缸;4-夹
爪转动(Z轴)回转气缸;5-Y行机械夹;6-旋转供料盘;7-步进电机;8-储料仓;9-过滤
减压阀;10-操作面板
3
基于西门子PLC机械手控制系统设计
图2-2机械手模型背面结构示意图
1-控制器(PLC);2-传感器;3-端子板;4继电器板;
气动组立机械手分别由五个不同类型的气缸组成,它们是:
水平(X轴)移
动滑台气缸、垂直(Y轴)移动滑台气缸、夹爪转动(Z轴)回转气缸、平行机
械夹、手臂转动回转气缸,是一个五轴四位置的机械装置。
可以完成零组件的组
装、检测、移送等任务。
自动供料盘由旋转料盘、步进电机及驱动器、定位传感器、零组件传感器和
传动轮等组成。
它可以将料盘上的零组件以步进方式自动定位在固定位置。
储料仓是机械手操作零组件的平台。
操作面板由手动-自动切换钮和手动按钮组成(或由触摸屏构成)。
通过它可
以完成机械手自动运行的启动和机械手各部位的手动操控。
控制系统由控制器(通常为PLC,也可配备其他类型的逻辑控制装置)、传
感器、电磁阀、端子板和直流电源等组成。
控制器接收设在机械手上各部分传感
器的信号并通过预先设定的程序控制电磁阀对气路的切换,实现机械手的各种动
作;控制器还对自动供料盘进行控制以协调机械手的动作。
4
基于西门子PLC机械手控制系统设计
2.2机械手的工作原理
[7]
本机械手采用气压驱动,使用的是压力为0.6MPa,最高可达0.8MPa。
气压
驱动主要优点是气源方便(一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气),驱动系统具
有缓冲作用,结构简单,成本低,便于维修。
缺点是功率质量比小,装置体积大,
定位度不高。
此类机械手适用于易燃、易爆、和灰尘大的场合。
这个机械手具有四个直线运动和四个旋转运动自由度,用于将源工作台上的
物品搬到其右侧目的工作台上。
机械手的全部动作由气缸驱动,气缸由电磁阀控
制,整个机械手在工作中能实现手臂上升/下降、手臂伸出/缩回、手臂旋转/回
转、手指旋转/回转、夹紧/放松功能,是目前应用比较广泛的一种机械手。
2.3机械手的控制要求
该系统具有单操作(手动)和步进、单周期及连续操作(后三种属自动操作)
四种工作方式,机械手在最上面和最左边且松开时,称为系统处于原点状态或初
始状态。
各种工作方式可随意切换,操作方便。
手动操作:
就是用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。
步进操作:
每按一次启动按钮,机械手完成一步动作后自动停止。
即在单步
操作方式下,从初始步开始,按下启动按钮后,系统转换到下一步,完成该步的
任务后,自动停止工作并停在该步,再按一下启动按钮,又往前走一步。
单周期操作:
机械手从原点开始,按一下启动按钮,从初始步开始,机械手
自动完成一个周期的动作后,返回并停留在初始步。
连续操作:
机械手从原点开始,按一下启动按钮,机械手的动作将自动地、
连续不断地周期性循环。
在工作中按一下停止按钮,那么机械手将继续完成一个
周期的动作后,回到原点自动停止。
在选择单周期、连续和单步工作方式之前,系统应处于原点状态。
如不满足
这一条件,可选择回原点工作方式。
即按回原点启动按钮,使系统自动返回原点
状态。
当机械手右移到位并准备下降时,为了确保安全,必须在右工作台无工件时
才允许机械手下降。
也就是说,若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时,
机械手应自动停止下降,所以要用光电开关进行无工件检测。
若此时右工作台上
无工件,则光电开关接通,下降电磁阀通电。
5
基于西门子PLC机械手控制系统设计
[8]
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。
当旋钮打向手动时,
每一工步都要按下该工步按钮才能实现。
而当旋钮打向自动时,系统自动完成各
工步操作,且循环动作。
具体实现如下:
(1)供料盘旋转定位。
(2)手臂回转前伸。
(3)手臂下降。
(4)手指回转张开。
(5)手指闭合夹物。
(6)手指旋转,手臂抬升。
(7)手臂回缩旋转。
(8)手臂前伸。
(9)手臂下降。
(10)手指旋转张开放物。
(11)重复步骤
(1)~(10)。
(12)供料盘无料块时机械手等待。
6
基于西门子PLC机械手控制系统设计
第三章机械手的硬件设计
3.1控制方案设计
[9]
机械手可以用传统的继电接触控制,也可以采用单片机控制及用可编程控制
器对系统进行控制。
控制系统如采用传统的继电接触控制,机械触点多,接线复
杂,因而控制装置体积很大,并且故障率高,可靠性差,动作精确度低。
若采用
单片机控制,由于电磁阀的工作电压高于单片机的+5V电源,所需的驱动电流较
大,因而须设计功率接口电路,还要进行抗干扰及其可靠性的设计。
若采用PLC
控制,则无需考虑上述问题。
PLC以中央处理器为核心,综合了计算机和自动控
制等先进技术,具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点。
使用PLC的自动控制系统体积小,可靠性大大提高,故障率大大降低,动作精度
高,因而被广泛利用于各种自动化生产设备和生产线上。
经过比较,决定采用PLC控制器来对此机械手进行控制。
不仅简化了繁杂
的硬件接线线路,节省了空间,降低了设备的故障率,使控制具有很强的柔性和
功能的可拓展性,使设备的性能稳定,工作可靠,操作简单,调节方便,显
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