机械手动作的模拟

机械手动作的模拟 沈阳理工大学课程设计 第一章 概 述 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。随着工业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境下不利于人工进行操作。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 本课题拟开发物料搬运机械手，采用S7-200 PLC，对机械手的上下、左右、以及抓取运动进行控制。该装置机械部分由滚珠丝杠、滑轨、机械手等:电器方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。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。 1.1 目的和任务 本课程是电气及电气自动化专业在掌握所学习的专业基础课 专业课基础上一 次叫全面的实习训练，通过完成一个具有较完善功能的设计课题，大到训练学生综合运用所学知识的能力。其基本目的是: 培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已学的理论和生产实习知识去和解决工程实际问题的能力， 学习工业自动化网络一个完整系统设计的一般方法，掌握运用专业课、专业基础课的知识解决自动化网络方面常见实际问题的能力。 1 沈阳理工大学课程设计 进行基本技能训练，如利用设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、试验设备进行调试和数据处理等。陪养学生的创新能力。 1.2 设计方式 1、根据课程设计任务书提出的控制要求选择系统和控制方式 2、合理选择元器件型号，正确进行硬件电路设计和软件调试。 3、完成电路设计、编写完成实时控制程序或编写完仿真程序。 4、调试和完成控制系统，使之满足控制要求。 5、编写课程设计。 1.3 机械手及其应用 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。 1.4 机械手的特点 1、对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。 2、 机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。 3、 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。 4、 机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。 2 沈阳理工大学课程设计 因此采用机械手最明显的特点是提高劳动生产率和降低成本。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。例如:在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。 随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机器人”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。 3 沈阳理工大学课程设计 第二章 硬件设计 2.1 PLC简介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC增长率保持为20%--30%.随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。 2.2 PLC内部原理 PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本的。如图2.1所示，PLC硬件的基本结构图所示: 1、中央处理单元(CPU) 中央处理单元是PLC控制中枢。它按照PLC系统赋予的功能，接受并存储从编程键入的用户程序和数据，检查电源，存储器，I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。 2、存储器 与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须由软件。才能构成一台完整的 4 沈阳理工大学课程设计 PLC。PLC的软件分为两部分:系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 3、PLC电源 PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提高一个稳定可靠的直流电源。 图2-1 PLC硬件的基本结构图 2.3 PLC的工作原理 可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器可输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是指执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或 5 沈阳理工大学课程设计 切换到STOP工作状态。 2.4 PLC机型的选择方法 1.PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类:按CPU长度分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数造型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 2.输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输入模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。 3.电源的选择 PLC的供电电源，除了引进设备同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。位为防止外部高压电源因误操作而引人PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 4.存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储去容量，按256个I/O点至少选8k存储 6 沈阳理工大学课程设计 器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 5.冗余功能的选择 A.控制单元的冗余 (1)重要的过程单元:CPU及电源均应1B1冗余。 (2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。 B.I/O接口单元的冗余 (1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置， (2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置， (3)根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。 6.经济性的考虑 选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，响应的存储器容量、机架、母版等也要相应增加，故因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，是整个控制系统有较合理的性能价格比。 2.5 控制要求 图中为一个将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作，即为: 7 沈阳理工大学课程设计 2.6 机械手动作的模拟实验面板图: 图2.2 此面板中的启动、停止用动断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀和原位指示灯用发光二极管来模拟。 2.7 输入/输出接线列表 表2.1 面板 SB1 SB2 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 PLC I0.0 I0.5 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 面板 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 HL PLC Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 2.8 工作过程分析 当机械手处于原位时，上升限位开关I0.2、左限位开关I0.4均处于接通(“1”状态)，移位寄存器数据输入端接通，使M10.0置“1”，Q0.5线圈接通，原位指 8 沈阳理工大学课程设计 示灯亮。 按下启动按钮，SB1置“1”，产生移位信号，M10.0的“1”态移至M101，下降阀输出继电器I0.0接通，执行下降动作，由于上升限位开关U0.2断开，M10.0置“0”，原位指示灯灭。 当下降到位时，下限位开关SQ1接通，产生移位信号，M10.0的“0”态移位到M10.1，下降阀Q0.0断开，机械手停止下降，M10.1的“1”态移到M10.2，M20.0线圈接通，M20.0动合触点闭合，夹紧电磁阀Q0.1接通，执行夹紧动作，同时启动定时器T37，延时1.7秒。 机械手夹紧工件后，T0动合触点接通，产生移位信号，使M10.3置“1”，“0”态移位至M102.，上升电磁阀YQ0.2接通，I0.1断开，执行上升动作。由于使用S指令，M20.0线圈具有自保持功能，Q0.1保持接通，机械手继续夹紧工件。 当上升到位时，上限位开关I0.2接通，产生移位信号，“0”态移位至M10.3，Q0.2线圈断开，不再上升，同时移位信号使M10.4置“1”，Q0.4断开，右移阀继电器Q0.3接通，执行右移动作。 待移至右限位开关动作位置，I0.3动合触点接通，产生移位信号，使M10.3的“0”态移位到M10.4，Q0.3线圈断开，停止右移，同时M10.4的“1”态已移到M10.5，Q0.0线圈再次接通，执行下降动作。 当下降到使I0.1动合触点接通位置，产生移位信号，“0”态移至M10.5，“1”态移至M10.6，Q0.0线圈断开，停止下降，R指令使M20.0复位，Q0.1线圈断开，机械手松开工件;同时T38启动延时1.5秒，T1动合触点接通，产生移位信号，使M10.6变为“0”态，M10.7为“1”态，Q0.2线圈再度接通，I0.1断开，机械手又上升，行至上限位置，I0.2触点接通，M10.7变为“0”态，M11.2为“1”态，I0.2线圈断开，停止上升，Y004线圈接通，X003断开，左移。 到达左限位开关位置，X004触点接通，M11.2变为“0”态，M11.3为“1”态，移位寄存器全部复位，Q0.4线圈断开，机械手回到原位，由于I0.2、I0.4均接通，M10.0又被置“1”，完成一个工作周期。 再次按下启动按钮，将重复上述动作。 9 沈阳理工大学课程设计 2.9 PLC机械手接线图 图2.3 10 沈阳理工大学课程设计 图2.4 11 沈阳理工大学课程设计 第三章 软件设计 3.1、设计梯形图 12 沈阳理工大学课程设计 13 沈阳理工大学课程设计 14 沈阳理工大学课程设计 结束语 在这次两个星期的工业网络课程设计过程中，当刚拿到课题是，对这次课题的实际内容和方法还是很模糊，只能去图书馆，上网，以及平时做的实验中找突破口，在经过几天的查找和学习，对此次课题有了初步的设计思路和方法，接下来的几天里，通过对资料的分析，有了初步的模块，在PLC设计和应用上也得到了一定的使用方法，接下来就是对程序的编写，在平时的课堂上虽然老师都有讲解，但真正到了应用时还是存在很多的问题，再通过资料的辅助和老师的细心讲解，知道了如何编程，如何设置主从，以及主从间的连接方式和使用方法，在借下来对程序的调试过程中虽然出现的大大小小的一些问题，但都能够自己找出原因并解决，我觉的这是这次课程设计的最好收获，最终的成果基本符合设计要求，在书本，资料和老师的帮助下，即完成了这次设计同时也是一次很好的学习机会，使这个学期的内容得到巩固，也学习了更多。 15 沈阳理工大学课程设计 参考文献 《可编程序控制器与工业自动化系统》 陈忠华编著 《PLC基础及应用》 廖常初主编 《可编程序控制器编程实战与提高》 郭纯生编辑 《CS/CJ系列PLC应用基础及案例》 祁文钊 霍罡等编辑 16