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
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)
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
境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能[2]。
目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统(如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等)、机械手化机器、智能机械手(不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等)。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。
国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手(水下、爬壁、管道、遥控等机械手)基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。
例如珠江三角洲地区，塑胶工业十分发达，在国内居龙头地位，在国际上珠三角也有世界工厂之称。目前，该行业使用的注射机专用机械手以台湾生产的居多，如台湾劲力公司生产的劲力牌机械手、台湾威得客国际股份有限公司生产的“威得
客”w255系列注射机专用机械手,等等。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，主要包括以下几方面：
*机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
*在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板。
*可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。
*可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
1.3机械手控制存在的问题及最新发展
1.3.1利用单片机实现对机械手的控制
由单片机设计的系统都有一个共性就是抗干扰性差,因为机械手一般都用在干扰源比较多、情况比较复杂的工业现场,所以由单片机设计的系统很难保证长期稳定的工作。所以不宜选用此方案。
1.3.2 利用传统继电器实现对机械手的控制
此控制系统可利用四个传统继电器作为限位开关，并加上辅助电路以实现机械手的功能。但是由于传统继电器触点接触不良容易出现故障，并且接线复杂抗干扰能力差，难以实现模块化和智能化，性价比较低。所以这种控制方式已经逐渐被淘汰，显然此控制系统不能选用此方案。
1.3.3PLC实现对机械手的控制
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC[3]。
PLC的主要特点：
1）高可靠性
（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R-C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[4]。
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。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行[5]。
此控制系统利用PLC就可以非常容易的实现。基于PLC的优点，机械手采用PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。综上所述，机械手的控制方式选择PLC。
系统输入信号有1个启动按钮，1个停止按钮，1个急停按钮，1个手动送数开关，6个限位开关，8个手动输入信号，共计18个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号﹑左旋/右旋驱动信号、机械手伸出/缩回驱动信号、机械手夹紧/放松信号和七段LED显示器信号共有15个数字量输出信号。不需模拟量模块，选择西门子S7系列的CPU 226就可以满足要求，而且还有一定的裕量。所以选用PLC实现对机械手的控制为最佳方案，本次设计就选用此方案进行设计。
1.4本文主要工作
本文主要工作是应用PLC（可编程控制器）实际设计一个搬运机械手，能实现搬运机械手的基本功能。工作内容：
（1）阐述机械手在工业应用中的作用和意义。
（2）设计机械手的工艺流程。
（3）机械手的硬件设计,包括PLC型号的选定，PLC的电气连线图,I/O分配表等。
（4）机械手的软件设计原理，包括流程图，程序清单。
（5）最后是系统调试和参考文献的列举。
2 机械手控制系统工艺流程与总体方案设计
电气控制系统是根据指令准确实现生产流程的重要核心，能够保证搬运机械手准确快速的完成工作。本次课题的目的就是根据工艺流程来硬件设计和软件编程，以满足搬运生产的需要，对搬运机械手尤为重要。
2.1机械手控制系统的流程设计
搬运机械手作为一种自动化设施，电气系统应完成预设的动作，实现货物的准确搬运。本课题中的搬运机械手控制系统应具有如下功能：
控制系统能够根据PLC输入的指令，准确灵活的控制搬运机械手，完成搬运任务；控制系统具有状态显示功能，当设备运行时，各部件的运行状态用绿色指示灯表示；当设备完成指定动作处于停止状态时，各部件的运行状态用红色指示灯表示，按下停止按钮和启动按钮后完成指示灯状态进行切换；控制系统能够保证搬运机械手针对不同生产任务的要求，能够准确完成货物的搬运，保证快速性和准确性兼顾；按下急停按钮，能够立即停止工作，保证了生产的安全性。搬运机械手通过程序的改变，能自由的改变控制方法，实现柔性的生产控制。
2.2机械手的工艺过程
机械手的工艺过程
机械手的结构和各部分动作示意图，如图2.1所示。机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。
分析工艺过程
机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降—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，完成一个工作周期。运动过程如图2.2所示。机械手的下降、上升、右旋、左旋、伸出、缩回等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来
控制的。
图2-1机械手的结构和各部分动作示意图
图2-2机械手简单工作过程示意图
2.3 机械手总体控制方案的设计思路
本设计主要是在现有硬件设备条件下，通过软件编程，对于机械手进行有序的控制，提高搬运工作的准确性、安全性。主要由S7-200PLC 来进行控制，通过直流减速电机，电磁铁等来控制搬运机械手的运动。
由于PLC 的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图2.3所示的机械手
开始上升
下降
放松缩回左旋右旋
上升夹紧伸出
下降
控制系统的功能框图。
图2-3机械手控制系统的功能框图
机械手完成以上工艺主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动。电机的运行和电磁铁的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的顺时针旋转和逆时针旋转，电机控制机械手的上升、下降、伸出和缩回，电磁铁驱机械手爪的夹紧和放松。
由于此次设计中，机械手的控制可以分为一个步骤来实现，因此，利用步进顺控法来进行编程较为容易实现。最后在S7-200PLC编程专用软件编程软件上进行输入编程，调试。
3 机械手硬件系统设计
在确定设计方案之后，本章节将对机械手电气控制系统中的电气原理图设计。根据需要实现的功能以及整个系统的性价比对PLC和电气元器件进行介绍以及选型。
3.1电气原理设计
根据工艺要求，本节将从机械手的电源电路、控制电路、工作状态指示灯电路、LED段码指示电路等方面进行设计。
3.1.1 机械手电源电路设计
主要是通过交流220V接开关电源变成直流24V，当低压断路器QR1闭合，电气控制系统得电，熔断器的作用起电路保护作用，防止过大电流冲击。
3.1.2 机械手控制电路
机械手控制电路如图所示。当Q0.0为“1”即继电器KM1得电时直流减速电动机正转。当Q0.1为“1”即继电器KM2得电时直流减速电动机反转。所有电动机的电路均如图所示不再一一列举。主电路如下图3.1所示
图3-1 机械手控制电路图
为保证安全，防止PLC 误动作导致电源相间短路在辅助电路中设计了互锁保护，辅助电路图如下3.2所示：
图3-2互锁保护辅助电路图
FU1
控制抓紧和放松
控制左移和右移
控制上升和下降
传动A
FU4
FU3
FU2
FU1
KM6
KM5
KM3KM4
KM2
KM1
FU4
FU3
FU2
3.1.3工作状态指示灯电路
根据设计要求，指示灯采用使用接触器辅助触点来完成相应的状态指示功能，红灯代表对应功能停止绿灯代表运行。GL代表绿灯RL代表红灯。数字编号对应接触器编号相对应的功能。所有指示灯电路均如此，故图中不再一一列举。
图3-3工作状态指示灯电路图
3.1.4LED段码指示电路
因工艺需要，特设计LED七段显示器显示设定的机械手工作循环次数。下面列出接线图如图3.4所示。
图3-4 LED段码指示电路图
3.2 PLC 的选型及参数
PLC 是一种以微处理器为核心的新型工业自动控制系统。它的最大特点就是体积小，功能强，响应速度快，可靠性高。控制过程通过以梯形图的方式编程，随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性强等特点。S7-200 CPU 将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC 。下载了程序之后，S7--200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备[6]。其硬件结构简图如下：
图3-5 PLC 硬件结构简图
根据系统控制要求的经济性和可靠性来考虑，选择西门子S7-200系列PLC 。西门子S7-200PLC 中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU224XP 等。从搬运机械手的控制要求中可以看到，此次需要18个数字量输入，15个数字量输出，共需26点I/O ，根据I/O 点数，PLC 选用西门子S7-200系列的CPU 226 AC/DC/RLY ，交流220V 供电，直流数字量输入，继电器电路输出类型。该PLC 具有24个数字量输入点，16个数字量输出点，扩展模块数量可达7个。CPU 内置
口 输出部外
设
I/O
接
存储器 EPROM 微处理器
运算器 控制器 电源 输入
部件 I/O 扩展接口 I/O 扩展单元
受控元件
输入信号 外
部
设
备
了2个高速脉冲发生器，2个脉冲发生器分别以CPU本体的Q0.0和Q0.1作为输出通道。
表3-1 PLCCPU22X技术参数
特性CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 224XP
CPU
224XPal
CPU 226
外形尺寸90*80*62 90*80*62 120.5*80*62 140*80*62 190*80*62 程序存储器：
运行模式下编辑非运行模式编辑4096字节
4096字节
4096字节
4096字节
8192字节
12288字节
12288字节
16384字节
16384字节
24576字节
数据存储器2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节掉电保护时间50小时50小时100小时100小时100小时
本机I/O
数字量、模拟量6输入/4输
出
-
8输入/6输
出
-
14输入/10输
出
-
14输入/10输
出
2输入/1输出
24输入/16输
出
-
扩展模块数量0个模块2个模块17个模块17个模块17个模块1
高速计数器
单相
两相
4路
30KHz
2路20KHz
4路
30KHz
2路20KHz
6路30KHz
4路20KHz
4路30KHz
2路200KHz
3路20KHz
1路100KHz
6路
30KHz
4路20KHz
脉冲输出(DC) 2路20KHz 2路20KHz 2路20KHz 2路100KHz 2路20KHz 模拟电位器 1 1 2 2 2
实时时钟卡卡内置内置内置
通讯口 1 S-485 1 S-485 1 S-485 2 RS-485 2 RS-485 浮点数运算是
I/O映像大小256（128输入/128输出）
布尔型执行速度0.22毫秒/指令
根据本系统的I/O分配以及脉冲数出频率决定选用CPU 226 的S7-200PLC。
3.3电器元器件的选型
根据此系统的控制要求和资源要求，对电器元器件进行选型。
3.3.1 接触器
接触器是一种电控制元件，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。主要用来反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。本课题选用JZ11型接触器。
3.3.2 行程开关
行程开关主要用于将机械位移转变成电信号，使电动机的运行状态得以改变，从而控制机械动作或用作程序控制。本设计选用KW-7型行程开关。
3.3.3 熔断器
熔断器也被称为保险丝，它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。本设计选用RL1-15型熔断器。
3.3.4 低压断路器
低压断路器又称自动开关。它是按规定条件，对配电电路，电动机或其他用电设备实行不频繁通断操作，线路切换，自动分断电路的开关电器，这种开关相当于刀开关，熔断器，热继电器和欠电压继电器的组合，并具有良好的灭弧性能，所以它是低压配电系统中的主要电器元件，作为线路及电源设备过载，欠电压及短路保护用[7]。本设计选用DZ15-40/1型低压断路器。
3.3.5 控制按钮
控制按钮是一种短时接通或断开小电流电路的手动主令电器。主要用于操纵接触器，继电器或电气连锁电路，以实现对各种运动的控制。按钮可以做成很多形式，以满足不同的控制或操作需要，结构形式有旋转式，指示灯式，紧急式，揿钮式，带锁式等。为了便于区分各按钮不同的控制作用，通常将按钮做成不同颜色以示区别，以避免误操作[8]。本设计选用8个LA10-1控制按钮。
3.3.6 直流减速电机
直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是,提供较低的转速,较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了，直流电机在自动化行业中的使用率[9]。本设计选用M28-831型直流减速电机。
4 机械手软件系统设计
本章针对机械手控制系统的用户程序经行设计。对设计任务要求、I/O分配、系统工作流程及编程设计思路进行逐一地介绍。
4.1设计任务和控制要求
通过机械手搬运，把物料从生产流水线上搬运至装配单元，便于装配。
机械手搬运的物料的重量为：200g——2000g。
机械手有上升、回转180度，伸缩功能。
整个控制系统能自动循环工作，也可手工调整。
手动运行调试：分别按下左旋、右旋、提升、下降、伸出、缩回、放松和夹紧8个按钮，实现其对应的功能。
自动运行调试：进入自动运行方式，依次实现下降－伸出－夹紧－上升－右旋－下降－放松－缩回－上升－左旋动作。若在自动运行期间按下紧急停止按钮I0.0，机械手立即停止动作。
4.2高级指令说明
在此次程序设计中，用到了定时器指令、顺控继电器(SCR)指令、逻辑操作指令、传送指令、计数器指令、比较指令、转换指令，本节将对这些高级指令进行介绍。
4.2.1 定时器指令
定时器在使用前要先预置时间初始值，当定时器满足条件运行时，从开始0按精度等级单位増计数，当定时器当前值达到预置值时，定时器动作，定时器的常开接点闭合，常闭接点断开。以下是不同类型定时器的介绍。
（1）打开延迟定时器和有记忆的打开延迟定时器
打开延迟定时器(TON)和有记忆的打开延迟定时器在使能输入接通时记时。定时器号(Txx)决定了定时器的分辨率，并且分辨率现在已经在指令盒上标出了。
（2）关断延时定时器
关断延时定时器用于在输入断开后延时一段时间断开输出。定时器号(Txx)决定了定时器的分辨率，并且分辨率现在已经在指令盒上标出了。
（3）分辨率对定时器的影响
对于1 ms分辨率的定时器来说，定时器位和当前值的更新不与扫描周期同步。对于大于1 ms的程序扫描周期，定时器位和当前值在一次扫描内刷新多次。对于10 ms分辨率的定时器来说，定时器位和当前值在每个程序扫描周期的开始刷新。定时器位和当前值在整个扫描周期过程中为常数。在每个扫描周期的开始会将一个扫描累计的时间间隔加到定时器当前值上。对于分辨率为100 ms的定时器，在执行指令时对定时器位和当前值进行更新；因此，确保在每个扫描周期内，程序仅为100毫秒的定时器执行一次指令，以便使定时器保持正确计时[10]。
（4）定时器存储区：T
S7--200 CPU中，定时器可用于时间累计，其分辨率(时基增量)分为1ms、10ms 和100ms三种。定时器有两个变量：
_ 当前值：该16位有符号整数可存储由定时器计数的时间量。
_ 定时器位：在比较当前值和预设值后，可设置或清除该位。预设值是定时器指令的一部分。
可以用定时器地址(T + 定时器号)来存取这两种形式的定时器数据。是否访问定时器位或当前值取决于所使用的指令：带位操作数的指令可访问定时器位，而带字操作数的指令则访问当前值。如图4.1所示，常开触点指令访问定时器位；而移动字指令则访问定时器的当前值。
物料分拣机械手自动化控制系统设计 摘要 机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。 关键词:机械手；可编程控制器；自动化控制；物料分拣
目录 第一章前言 (1) 1.1研究的目的及意义 (1) 1.2主要研究的内容 (1) 第二章控制系统的组成结构和性能要求 (2) 2.1控制系统的组成结构 (2) 2.2控制系统的性能要求 (2) 第三章传感器的选择 (4) 第四章控制系统PLC的选型及控制原理 (6) 4.1 PLC控制系统设计的基本原则 (6) 4.2 PLC种类及型号选择 (10) 4.3 I/O点数分配 (10) 4.4 PLC外部接线图 (11) 4.5机械手控制原理 (12) 第五章 PLC程序设计 (14) 5.1总体程序框图 (14) 5.2初始化及报警程序 (15) 5.3手动控制程序 (16) 5.4自动控制程序 (16) 第六章总结与展望 (19) 参考文献 (20) 谢辞 (21)
目录 前言 (2) 1. 课程设计的任务和要求 (3) 1.1 课程设计的任务 (3) 1.2 设计要求 (3) 1.3课程设计动作要求 (3) 2. 总体设计 (4) 2.1 PLC选型 (4) 2.2 PLC端子分配设计 (5) 2.3 控制原理图 (6) 3. PLC程序设计 (8) 3.1 设计思想 (8) 3.2 顺序功能图设计 (8) 3.3 PLC梯形图设计 (10) （1）主程序.. (10) （2）公用子程序 (11) （3）手动子程序 (12) （4）自动子程序 (13) （5）回原点程序 (17) 4. 程序模拟调试说明 (19)
结束语 (23) 参考文献 (24) 前言 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代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。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件。 1.课程设计的任务和要求 1.1课程设计的任务 （1）完成《课程设计指导书》所要求的控制循环。
前言 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、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中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。 本文将通过西门子PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。
机械手的步进控制 摘要 摘要: 本文主要介绍机械手的发展和应用。首先对机械手的发展背景和定义做了介绍，随后给出了机械手的基本构造，并对机械手的应用做了简单的分类。最后对机械手的发展趋势进行了展望。 关键词:机械手:发展;应用 引言： 近年来由于机电体化在工业各个领域的应用，机械设备的自动化控制显得越来越重要。随着工业的发展和产品的高级化及复杂化，要求人们必须提高工作效率和适应恶劣环境的能力，增加了工人的劳动强度，甚至于危及到生命。因此机械手就在这样情况下诞生了，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识:它能部分地代替人工操作:能按照生产工艺的要求，遵循定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸:能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善I人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现I业生产机械化和自动化的步伐用。 机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。三白由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直
和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。 可编程控制器PLC是-种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。 机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 控制要求 1在传输带A的端部，安装了光电开关PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为ON状态。机械手在原位时，按下启动按钮，系统启动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A 停。传输带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A 上搬到传送带B(连续运转)上。机械手返回原位后，自动再启动传送带A运转，进行下一个循环。 2.按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。机械手的上升／下降和左移／右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。夹紧／放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。
概要 本文介绍了用PLC S7-200为控制电路主元件，外加电器系统，输入输出电路，构成了整体的实训项目。通过PLC控制机械手来模拟工业生产过程中机电设备的工作原理。工业机械手的任务是搬运物品，要求把物品从一个工位搬到另一个工位，如下图所示。机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制，这样使我们能更近距离地了解工业生产过程。 左移
目录 前言 第一章机械手简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1．1 机械手概念 1．2 机械手总体结构 第二章PLC介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2．1 PLC发展史 2．2 PLC应用 2．3 PLC特点 第三章汽缸简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 3．1汽缸概念与汽缸分类 3．2汽缸结构与工作原理 第四章相关元气件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 4．1电磁阀介绍 4．2传感器介绍 第五章项目的实施. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 5．1机械手的控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .11 5．2机械手总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .11
百度文库- 让每个人平等地提升自我 0前言 / 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到 生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大地 改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单 位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的 场合，应用得更为广泛。在我国，近代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。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开 发物料搬运机械手，采用的德 结束语 目录 0前言 0 1 课程设计的任务和要求 ...................................................................... 1 课程设计的任务 ............................................................................ 1 课程设计的基本要求 (3) 2总体设计 (3) PLC 的选型 端子分配图 3 PLC 程序设计 设计思想... 顺序功能图 4程序调试说明 参考文献
国西门子S7-200系列PLC对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。我们利用可编 程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产 机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件。 、1课程设计的任务和要求 课程设计的任务 1）示教机械手控制系统设计 2）示教机械手系统示意图如下图所示
摘要 在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。 本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。确定了机械手用三自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，回转三个自由度及手爪的开合。驱动方式由气缸来实现手臂伸缩和升降，异步电机来实现机械手的旋转。 运用了FX 系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制, 论述了电气控制系统的硬件设计, 控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。 关键词：机械手，气缸，可编程序控制器
目录 摘要............................................................................. I 1 绪言 (1) 1.1 机械手的概述 (1) 1.2 我国机械手的发展 (1) 1.3 气动机械手的应用现状及发展前景 (3) 1.4 PLC概念的由来和产生 (5) 1.5 本课题设计要求 (8) 2 机械手的总体设计方案 (9) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (9) 2.2 机械手基本形式的选择 (10) 2.3 驱动机构的选择 (11) 2.4 机械手的技术参数列表 (11) 3 机械手的机械系统设计 (13) 3.1 机械手的运动概述 (13) 3.2 机器人的运动过程分析 (14) 4 机械手手部结构设计及计算 (15) 4.1 手部结构 (15) 4.2 手部结构设计及计算 (16) 4.3 夹紧气缸的设计 (18) 5 机械手手臂机构的设计 (24) 5.1 手臂的设计要求 (24) 5.2 伸缩气压缸的设计 (24) 5.3 导向装置 (29) 6 机械手腰部和基座结构设计及计算 (30) 6.1 结构设计 (30) 6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 (30) 6.3 导向装置 (34) 6.4 平衡装置 (34) 6.5 基座结构设计 (35)
第一章机械手概况 1.1搬运机械手的应用简况 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面： 1.热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进
中北大学 信息商务学院 课程设计说明书 学生姓名：学号： 系：机械自动化系 专业：机械设计制造及其自动化 题目：数控技术课程设计 ——机械手自动操作控制的PLC程序设计 指导教师：职称: 职称: 2016年12月5日
中北大学 信息商务学院 课程设计任务书 2016/2017 学年第 1 学期 所在系：机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 学生姓名：学号： 课程设计题目：数控技术课程设计 —机械手自动操作控制的PLC程序设计起迄日期：2016年12月5日～2016年12月9日课程设计地点：中北大学信息商务学院 指导教师： 系主任：暴建岗 下达任务书日期: 2016 年12月 5日
课程设计任务书 1．设计目的： 通过对机械手自动操作控制的PLC程序设计，使学生在熟练机械手的动作顺序与原理的基础上，学会应用PLC。 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 机械手将工件从A工作台搬到B工作台。机械手的工作过程由8个动作完成一个循环，如图所示。取放工件的上升/下降和左移/右移分别用YV1、YV3、YV4和YV5控制，夹具的夹紧和放松由电磁阀YV2控制。当工件搬到B工作台返回时，用光电开关SQ7发出无工件信号。 （1）采用内部移位寄存器M100~ M117逐位输出方式实现顺序控制，移位条件是对各限位开关（SQ1~SQ6）的状态检测来决定。 （2）夹紧或放松动作，分别用定时器T450、T451延时控制。 （3）采用具有保持功能的辅助继电器M202驱动夹紧阀。 通过本课程设计,完成 ①输入输出信号分析与PLC I/O分配图 ②PLC选型 ③主要元器件型号的选择 ④主接线图设计 ⑤完成梯形图设计并完成相应指令。 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
目录 题目：模具注塑机机械手控制电路设计 (1) 前言 (3) 引言 (3) 一、机械手的发展与应用现状 (3) 二、机械手的前景及方向 (5) 三、本课题的研究意义 (6) 第一章机械手硬件设计 (7) 一、机械手的总体设计 (7) 二、机械手的动作过程 (8) 三、主要部件及零件及要求 (8) 四、运动方式和工作过程 (8) 五、PLC控制方式 (8) 第二章电路设计 (9) 一、主线路 (9) 二、PLC控制及I/O分配 (9) 第三章软件设计 (12) 一、编程工具 (12) 二、梯形图如下 (13) 三、指语句令表 (15) 第四章整机调试 (18) 一、手动控制过程 (18) 二、自动运行控制过程 (18) 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (21)
题目：模具注塑机机械手控制电路设计 作者：王家欢 【摘要】 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 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。 机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,既节省了行程开关和PLC的I/O 端口,又达到了简便操作和精确定位的目的。 【关键字】 气动机械手、注塑机机械手、机械手控制电路设计、PLC控制
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
毕业论文 标题：基于PLC与组态技术机械手的控制系统学生姓名：陈勇乐谭鑫 系部：电子信息系 专业：电气自动化技术 班级：高电气1102班 指导教师：罗麦丰老师 湖南汽车工程职业学院教务处制
摘要 (1) 引言 (2) 一、机械手控制系统的工作要求 (4) 二、下位机PLC控制系统设计 (5) 2.1机械手控制PLC 输入输出端子分配 (5) 2.2机械手控制PLC顺序功能图 (5) 2.3机械手控制PLC外围接线图 (6) 2.4机械手控制PLC梯形图 (7) 三、系统上位机组态设计及功能实现 (10) 3.1设备连接 (10) 3.2通讯设备参数设置 (10) 3.3构造数据库 (11) 3.4监控界面的设计和动画连接 (12) 3.5系统运行 (14) 四、系统调试 (16) 4.1使用设备 (16) 4.2调试过程 (16) 五、设计过程遇到的问题及解决方法 (17) 总结 (19) 参考文献 (20) 致谢 (21) 附录1 .................................. 错误！未定义书签。附录2 .................................. 错误！未定义书签。
本设计主要介绍了基于组态王与PLC实现对机械手控制系统设计，开发PLC控制系统与上位机监控界面。组态王通过设备驱动程序从现场硬件设备获取实时数据并处理，以动画的方式在上位机屏幕上显示，同时按照组态要求和操作人员的指令使机械手按照设定的轨迹运行，并且将现场动画在监控界面中显示出来。该系统可以很好的实现机械手的自动控制和管理。 关键词：机械手； S7-200 PLC；组态王
河北工程大学 课程设计指导说明书 课程题目: 机械手及控制系统设计 专业: 机械设计制造及其自动化—机电方向 班级: 机制11班 姓名: 唐科 学号 110070118 指导老师: 杨玉敏 目录 第一章绪论 1、1 题目要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、2 题目概况。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、3 气动机械手。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、4 气动机械手的发展趋势。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、5 课题的现实意义。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 第二章气动机械手的操作要求及功能 2、1 机械手移动动作示意图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、2 机械手操作面板图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、3 机械手的输入\输出信号定义图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 2、4 机械手顺序动作的要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 第三章机械部分设计 3、1 气动搬运机械手的结构。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3、2 机械手的主要部件及运动。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3、3 驱动机构的选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、4 机械手的技术参数列表。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、5 气动回路的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、6 末端执行器的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 3、7 升降手臂的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 3、8 平移手臂的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14 第四章机械手控制设计
（一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。
（三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 2按驱动方式分 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
机械手电气控制系统设计
目录 一、机械手设计任务书 (1) 1机械手结构、动作与控制要求 (1) 2设计任务 (1) 二、电器控制部分 (2) 1.电器元件目录表 (2) 2.机械手主电路接线图 (3) 3.继电器控制电路 (4) 4.接线图 (4) 5.电器板元件布置图 (5) 6.控制面板 (5) 三、PLC控制部分 (6) 1.PLC的选型 (6) 2.PLC I/O图 (6) 3.状态转移图 (7) 4.梯形图 (7) 5.指令表 (10) 四、参考文献 (14) 一、机械手设计任务书 1机械手结构、动作与控制要求
机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产的自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统，动作时间需要可调。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等待料架转过一定角度后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 设计要求 1.1加工中上料和下料各动作采用自动循环。 1.2各动作之间应有一定的延时（由时间继电器调定） 1.3机械手各部分应单独动作，以便调整及维修。 1.4液压泵电动机（Y100L2-4.3KW）及各电磁阀运行状态应有指 示。 1.5应有必要的电气保护与联锁环节。 2设计任务： 2.1绘制电气控制原理线路图，选用电器元件，制订元件目录表。 2.2设计并绘制以下工艺图样中的一种： 电器板元件布置图与底板加工零件图；电器板接线图；控制面 板元件布置图、接线图及面板加工图；电气箱及系统总接线图。 2.3编制设计，使用说明书，设计小结，列出设计参数资料目录。
机床电器与PLC课程设计说明书 示教机械手控制系统设计 专业机械设计制造及其自动化 班级 081016 学号叉叉 组别 10 姓名叉叉 指导教师叉叉叉 日期 2011.6.2 成绩 目录 前言 (3) 摘要 (5) 第一部分
PLC概述 (6) 设计任务书 (12) 第二部分 示教机械手元器件选择 (13) 方案及控制过程 (13) I/O分配图 (14) 原理接线 (15) 流程图 (16)
梯形图 (17) 语句表 (20) 总结 (22) 参考文献 (23) 前言 在现在化的生产中，生产机械的自动化程度反映了工业生产发展的水平。现代化的生产设备与系统已不再是传统意义上单纯的机械系统，而是机电一体化的综合系统电气传动与控制系统已经成为现代生产机械的重要组成部分。机与电，传动与控制已经成为不可分割的整体。 所谓的机电传动，是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称，它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。 机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备，生产线，车间，甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上讲，则指通过控制电动机驱
动生产机械，实现生产产品数量的曾加，质量的提高，生产成本的降低，工人劳动的条件的改善的以及能量的合理利用。 机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以，现在化机电传动基本上均采用这种拖动形式。 随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。本设计就PLC在机械控制上的应用作了详细阐述。 摘要
开题报告 电气工程及自动化 基于PLC的机械手控制系统设计 一、课题研究意义及现状 机器人技术的发展带来划时代的变革。机器人学是近40年来发展起来的一门交叉性学科，它涉及电子学、计算机科学、控制理论、传感器技术、机械学、仿生学、人工智能等学科领域。目前，工业机器人与其它设备组成的生产线极大地提高了企业的生产率、提高和稳定了产品质量、大大缩短了产品更新换代的周期，机器人的出现和发展已使传统工业生产的面貌发生了根本性变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化、跨入智能化的新时代。机器人不仅在工业上应用愈来愈广，而且正在社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下矿藏、抢险救灾、军事等领域开拓新应用，以代替人在其无法适应的特殊环境下工作，这将极大地扩展人类生产和活动范围，大大提高人类创造性劳动的能力。目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。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，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 自1954年美国G.C. Devol发表“通用重复型机器人”专利论文和美国Consolidated发表“数字控制机器人”论文，揭开机器人的序幕以来，机器人的发展大致经过三代演变。第一代是顺序控制的、示教再现型机器人。它是以1962年AMF公司和Unimation公司的Versatran与Unimate为起始产品，依靠人们给予程序、能重复进行多种操作的系统。由于不具有传感器的反馈信息，因此不能在作业过程中从外界获取信息，故应用范围和精度受到限制;第二代是装有小型计算机和用简单的传感器反馈信息的机器人。它有一些传感器，能对自身位置、方向、速度、力等进行测量，能通过视觉、触觉等传感器对外部环境检测，由这些反馈信息在事先编好的算法和程序的指导下对操作过程进行调整。 目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处
机械手电气控制系统设计 1.机械手及其应用 机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。 1.1 国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面 1.热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3. 拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 1.2机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力，便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。