【基于西門子S7-200 Smart的機(jī)械手PLC控制設(shè)計5600字（論文）】

第1章緒論1.1研究背景現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械和工程自動化生產(chǎn)設(shè)備的一個重要組成部件便是機(jī)械手，它是當(dāng)前工業(yè)機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域里比較新的一項技術(shù)，也是目前廣泛應(yīng)用于各種大型現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)的重要工程技術(shù)關(guān)鍵零部件。自20世紀(jì)90年代初以來，在全國的高科學(xué)技術(shù)項目中有所發(fā)展規(guī)劃，機(jī)械手的技術(shù)設(shè)計、研究和機(jī)械手制造工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為當(dāng)代我國在高性能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展壯大起來的一門新興工業(yè)技術(shù)，將機(jī)器人參與其他設(shè)備的應(yīng)用融入到機(jī)械化和工業(yè)自動化生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)合中，同時促使其可以在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。目前我國現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)和制造工業(yè)快速進(jìn)步，此方面的科學(xué)技術(shù)也在不斷發(fā)展創(chuàng)新，機(jī)械工業(yè)方面的自動化應(yīng)用也是水平逐漸攀升，但是在某些方面的機(jī)械生產(chǎn)和制造的條件卻越來越惡劣，因此需要勞動者有更好的機(jī)械操作技術(shù)和更多的必備技能。在此情況下，許多制造方面的勞動者身體會受到不同程度的損害，安全可能無法保證。因此部分工人工作條件和工作內(nèi)容要做到無接觸化。因此現(xiàn)在許多制造業(yè)開始著手使用機(jī)械手幫助工人完成操作。機(jī)械手能夠總動控制完成往復(fù)運動并受到遙控隨時改變工作過程。這可以防止一些身體無法接觸的物質(zhì)對人體造成傷害。近20年以來，氣動技術(shù)在我國工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了持續(xù)擴(kuò)大，尤其是在各類自動化行業(yè)領(lǐng)已經(jīng)廣泛地運用。機(jī)械手自動生產(chǎn)線的飛速發(fā)展、更新，需要氣動技術(shù)滿足更為嚴(yán)謹(jǐn)高標(biāo)準(zhǔn)的要求。微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了傳統(tǒng)電氣式比例伺服技術(shù)的不斷發(fā)展。氣動式機(jī)械手是一種集機(jī)械、電氣、氣動控制為一體的典型機(jī)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。近年來，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用于自動化工業(yè)領(lǐng)域，可以避免具有有毒、放射、易燃、容易爆炸的危險。1.2研究意義工業(yè)機(jī)械手的運用，非常利于提高企業(yè)的勞動生產(chǎn)率，降低企業(yè)的人力資源成本。因為運用機(jī)械手，能加快流水線中對加工物料的及時運輸，提高流水線工作效率，同時刀具、火器之類的安裝拆卸以及維護(hù)修理能遠(yuǎn)距離操作，不會使工人受到安全方面的危險。能夠使得企業(yè)快速實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)方面的機(jī)械化和企業(yè)的生產(chǎn)自動化。在實際使用機(jī)械手工作時，并非死板的使用一類機(jī)械手，而是能靈活地選擇所需的類型。機(jī)械手可以方便快速地完成所有預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在對計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定好一系列參數(shù)后便能準(zhǔn)確實現(xiàn)，在系統(tǒng)構(gòu)建上體現(xiàn)人靈活的優(yōu)勢，而實際操作上體現(xiàn)為機(jī)器精確執(zhí)行的優(yōu)勢，整體上更加體現(xiàn)人的智能和多變性。機(jī)械手能適應(yīng)環(huán)境并在各種惡劣的條件下完成設(shè)定的任務(wù)，例如極高或極低溫度、粉塵多導(dǎo)致人體不適、易燃易爆品多和有毒氣體彌漫的危險環(huán)境。同時機(jī)械手的工作精準(zhǔn)度非常高也能代替人工完成一些比較細(xì)致的工作例如五金產(chǎn)品的拋光打磨。機(jī)械手如今在我國社會主義經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域都有使用，對于改善企業(yè)員工的日常勞動會產(chǎn)生非常有利的影響。機(jī)械手仍然有非常大的發(fā)展前景，值得我們深入地探討。1.3理論依據(jù)1.3.1PLC概述1987年，國際電工委員會IEC正式批準(zhǔn)頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿，將可編程序控制器定義為數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。它是一種自動化控制元件，在工業(yè)控制中被廣泛應(yīng)用，是一種采用自動化和可編程序的數(shù)據(jù)庫的存儲裝置，在內(nèi)部完成許多復(fù)雜的如執(zhí)行邏輯運算等操作。與工業(yè)控制系統(tǒng)相容并且易于完善和擴(kuò)展功能的設(shè)計理念將引導(dǎo)出PLC和其相關(guān)設(shè)施的研究設(shè)計[1]。隨著電子微處理器、計算機(jī)和無線數(shù)字通訊等信息技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)飛速發(fā)展，計算機(jī)遠(yuǎn)程控制在現(xiàn)代我國已經(jīng)逐漸拓寬至幾乎整個電子工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展的新要求促使我國裝備制造業(yè)盡快地積極響應(yīng)國際市場的發(fā)展需求，生產(chǎn)開發(fā)出各種新型小批量、多功能品種、多功能規(guī)格、低價位的工業(yè)產(chǎn)品，為了更好適應(yīng)這一市場需求，生產(chǎn)線的設(shè)備和各種全套工業(yè)自動化設(shè)備生產(chǎn)線上的過程控制處理系統(tǒng)都必須設(shè)計要做到具有很大的工作可靠性和操作靈活度，PLC的微編程也許就正是在此這一過程中為了順應(yīng)其應(yīng)用要求而發(fā)展誕生的，它們都必須是以通用微處理器設(shè)計為主要技術(shù)基礎(chǔ)的一種具有通用型號的工業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)備。1.3.2工業(yè)機(jī)械手概述工業(yè)機(jī)械手是一種先進(jìn)的生產(chǎn)儀器，它將模擬人的操作，模擬人的行為進(jìn)行管理和編程，可以達(dá)到眾多的操作。它有可能提高商品的標(biāo)準(zhǔn)，延長生產(chǎn)速度，創(chuàng)造更高的裝配環(huán)境，這使得它的作用顯得至關(guān)重要。而隨著科技的發(fā)展，創(chuàng)造出了一種“程序控制的一般機(jī)械手”，它可能會被某種程序或步驟單獨控制，以此達(dá)到反復(fù)操作的目的，因此，它將會在不同的生產(chǎn)情況下得到使用。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1PLC選型本機(jī)械手所選PLC為西門子S7-200Smart，這個產(chǎn)品有許多優(yōu)點。首先，它擁有豐富的I/O輸入輸出接口，也可以滿足大量I/O接口的需要。二是信號板的設(shè)計，充分利用了電控柜的空間，使產(chǎn)品利用率得以提高，同時也降低了用戶的生產(chǎn)成本，使擴(kuò)展更加方便。第三，高速處理芯片優(yōu)異的處理能力和速度，使其能夠處理更復(fù)雜的程序。強(qiáng)大的以太網(wǎng)通訊功能，只要一根網(wǎng)線，就可以把程序下載到PLC上，運行程序非常方便，所以很容易調(diào)試PLC程序[2]。第四，支持三軸脈沖，可以很方便的通過脈沖數(shù)控制機(jī)械手的運動，可以精確的控制運動方向，大大提高了PLC控制的精度。其界面設(shè)計人性化，使用戶可以更輕松地完成自己的編程，編程語言簡單，使用戶可以更好地學(xué)習(xí)軟件編程。大大提高了程序開發(fā)效率，縮短了產(chǎn)品更新周期。滿足客戶的人機(jī)交互要求，為客戶提供極大的便利。因此，基于以上優(yōu)點，選擇西門子S7-200smartt作為機(jī)械手的控制系統(tǒng)。2.2元件選擇2.2.1萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，主要功能特點是廣泛適用于額定交流50Hz、額定交流工作電壓380V及以下、直流工作電壓220V及以下，額定電流至160A的各類移動電氣控制設(shè)備線路中，萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)主要應(yīng)用于各類電氣控制線路的轉(zhuǎn)換、電壓測量儀器、\t"/item/%E4%B8%87%E8%83%BD%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"電流電壓計量器的換相測量控制、配電線路設(shè)備控制線路的轉(zhuǎn)換和遙控等。萬能\t"/item/%E4%B8%87%E8%83%BD%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"轉(zhuǎn)換開關(guān)也是一種可以同時用來直接控制小容量\t"/item/%E4%B8%87%E8%83%BD%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"電動機(jī)的電壓起動、調(diào)速和換向。型號選用LW26-20，阻燃外殼保護(hù)，經(jīng)久耐用，使用壽命長，銀觸點性能更穩(wěn)定[3]。圖1萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)2.2.2按鈕開關(guān)按鈕開關(guān)是指在電路工作時需要利用一個按鈕來控制或推動電路傳統(tǒng)的開關(guān)部件。按下按鈕，能接通或者斷開按鈕中的靜觸點或動觸點，從而實現(xiàn)電路運行狀態(tài)的改變。按鈕啟動方式用來啟動開關(guān)繼電器和開關(guān)啟動系統(tǒng)。它具有一個結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用普遍的主動按鈕和繼電器。在使用部分自動控制的開關(guān)電路中，手動發(fā)送控制信號以控制接觸器、繼電器等?？勺鳛檩斎朐镻LC發(fā)送操作指令，控制機(jī)械手的運行狀態(tài)。型號選用XB2BA11C，產(chǎn)品由按鈕頭和基座組合而成，拆卸方便、采用模塊式觸電，更換便捷、使用銅件銀點，使用更安全，壽命更長久[4]。圖2按鈕開關(guān)2.2.3氣動電磁閥電磁閥主要用途是它作為機(jī)械傳動裝置，可以對各種動力流體用來進(jìn)行控制的一種基礎(chǔ)控制元件，屬于一種傳統(tǒng)的自動執(zhí)行器，而氣動動力電磁閥則主要是其中的一種，它主要是通過對動力閥體運動方向上的移動進(jìn)行控制作用，從而達(dá)到阻止動力閥門自動擋住或者漏出不同方向排水管油的一個小孔，此外，小的通孔油閥必須經(jīng)常處于打開狀態(tài)，油就會通過這類小孔進(jìn)入排油的管道，然后通過油壓使空氣驅(qū)動電磁閥活塞進(jìn)入氣缸，這樣通過控制氣動電磁閥的電磁鐵的電流就控制了整個電磁閥的機(jī)械運動。利用氣動電磁閥驅(qū)動氣動氣缸控制機(jī)械手運動[5]。選用AIRTAC4V210-08，閥體采用全新鋁合金材料、抗腐蝕性能好、重量輕、強(qiáng)度打。采用進(jìn)口密封圈，更耐用，使用壽命更長。圖3氣動電磁閥2.2.4接近開關(guān)接近開關(guān)是\t"/item/%E6%8E%A5%E8%BF%91%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"位置開關(guān)，可以不直接接觸其他機(jī)械運動部件而直接進(jìn)行操作，當(dāng)物體接近開關(guān)的感應(yīng)面的作用距離時，開關(guān)可以不必再對其他機(jī)械的任何接觸或在物體沒有壓力的狀態(tài)下運行，從而驅(qū)動直流電器或給計算機(jī)裝置提供\t"/item/%E6%8E%A5%E8%BF%91%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"控制指令?？墒褂媒咏_關(guān)檢測機(jī)械手運行位置。選用E3F-DS30C4，抗干擾強(qiáng)，精準(zhǔn)度高，反應(yīng)靈敏，性能穩(wěn)定。圖4接近開關(guān)2.2.5氣動氣缸圓柱形金屬部件在氣缸內(nèi)通過直線運動誘導(dǎo)活塞，空氣在氣缸內(nèi)膨脹，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量驅(qū)動機(jī)器，氣體由于受到壓縮機(jī)氣缸中活塞的壓縮而提高壓力。氣壓傳動系統(tǒng)中將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的\t"/item/%E6%B0%94%E7%BC%B8/_blank"氣動執(zhí)行元件。汽缸能實現(xiàn)來回輸送和來回擺動。機(jī)械手水平和垂直方向的位移以及旋轉(zhuǎn)、夾緊、松開的都可以使用氣動氣缸實現(xiàn)。型號選用SCJ50，硬質(zhì)合金，耐沖擊強(qiáng)，伸縮順暢，密封性好，穩(wěn)定性強(qiáng)。圖5氣動氣缸2.3硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂、立柱和手架底座等部件。通過PLC程序設(shè)計控制操縱系統(tǒng)，來實現(xiàn)控制執(zhí)手部、手腕、手臂和身體立柱的協(xié)同動作。（2）驅(qū)動系統(tǒng)：這種機(jī)械驅(qū)動控制系統(tǒng)主要用途是用來驅(qū)動各種類型工業(yè)機(jī)械手在這個機(jī)械驅(qū)動器的位置上動并執(zhí)行各種傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械運動。這包括各種機(jī)械動力控制部件、調(diào)整控制裝置及各種輔助控制部件綜合[6]。常見的驅(qū)動控制系統(tǒng)主要可以分為：液壓傳動，氣壓輪傳動和機(jī)械式傳動。機(jī)械傳動系統(tǒng)簡單易行，容易完成，但是由于工作粗略，無法良好緩沖，無法處理細(xì)節(jié)；氣壓式機(jī)械傳動系統(tǒng)優(yōu)點在于能緩沖，降低損耗，制作簡易；液壓式式傳動裝置傳動體積小方便靈活，通過微電子技術(shù)處理，系統(tǒng)本身易于小型控制系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)品全程液壓自動化操作控制。但液壓式傳動裝置中油的泄露和液體可壓縮性大小會直接影響到執(zhí)行器元件移動的精度和準(zhǔn)確率，故無法保障嚴(yán)格的傳動價值。本設(shè)計采用氣動傳動。（3）控制系統(tǒng)：這種自動控制指揮系統(tǒng)主要指的是對一個機(jī)械手進(jìn)行操縱的自動指揮系統(tǒng)，它主要是一個控制部件驅(qū)動的操作系統(tǒng)，讓自動執(zhí)行機(jī)的部件按照系統(tǒng)規(guī)定操作自動控制并確認(rèn)機(jī)械手的操作是否正確。一般常見的技術(shù)是家用電器等電子設(shè)備的自動控制電路，電腦監(jiān)視系統(tǒng)。由于其PLC兩種控制工藝系統(tǒng)產(chǎn)品能夠充分地同時滿足此種產(chǎn)品工藝生產(chǎn)流程中所有必需的各種控制性能條件，穩(wěn)定可靠且同時抵御電磁干擾能力相對較高，使用方便而市場適應(yīng)性較高，控制系統(tǒng)采用PLC控制。（4）檢測裝置：檢測裝置主要功能是專門負(fù)責(zé)四類控制信號的自動檢測，主要工作功能是感知按鈕輸入控制信號并輸出檢測，感知并輸出光電開關(guān)檢測信號，感知限位信號的輸入電路檢測，以及對電路故障報警信號的輸出檢測[7]。用于輸入系統(tǒng)信號的自動檢測按鍵是一種由人工控制按鈕輸入系統(tǒng)進(jìn)行的信號檢測，主要功能包括暫時啟動停止按鈕、暫停啟動按鍵和根據(jù)工作狀態(tài)模式自動轉(zhuǎn)換后的按鍵。光電開關(guān)檢測信號是泛指一個光電開關(guān)在一個國家規(guī)定的檢測時間段內(nèi)被規(guī)定檢測的信號達(dá)到或不到的檢測物品?？刂蒲b置發(fā)生故障時自動停止機(jī)械手則會亮起故障信號。圖6結(jié)構(gòu)框圖第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1GXWorks2編程軟件簡介GXWORKS2是日本三菱發(fā)動機(jī)公司推出的一款三菱綜合\t"/item/GX%20Works2/_blank"可編程控制器編程軟件。是一種設(shè)計、調(diào)試PLC系統(tǒng)的專用程序設(shè)計工具[8]。與傳統(tǒng)的GXDeveloper軟件相比，提高了功能和可執(zhí)行的操作性能，變得更加簡單方便。3.2控制程序設(shè)計本設(shè)計使用順序控制邏輯，通過按鈕控制機(jī)械手的操作過程，通過信號燈表示輸出動作的運行完成，首先要使光電信號檢測到物料，按下X2檢測物料。若沒有檢測到物料信號，則蜂鳴器響，并亮紅燈警告。如檢測到物料，則物料信號燈亮起，可繼續(xù)進(jìn)行操作。此時按下X0，即單次搬運按鈕，機(jī)械手進(jìn)入單次搬運模式，此時Y6燈亮，表示運行正常。初始狀態(tài)下機(jī)械手處于松開狀態(tài)，進(jìn)入搬運模式后先夾緊物件Y2燈亮，然后上升Y0燈亮、左轉(zhuǎn)Y4燈亮，到設(shè)定位置后下降Y2燈亮、松開物件Y3燈亮，即完成一次搬運，將物件搬運到了指定位置。完成搬運后自動復(fù)位，先上升Y0燈亮，然后右轉(zhuǎn)Y5燈亮，再下降Y1燈亮，到原始位置后自動復(fù)位完成，Y10燈亮表示搬運完成。按下X1進(jìn)入循環(huán)搬運模式，即單次搬運后立即進(jìn)入下次搬運，可通過顯示屏的指示燈準(zhǔn)確地指導(dǎo)當(dāng)前機(jī)械手的工作狀態(tài)。按下X3按鈕急停，機(jī)械手立即停止工作，保留當(dāng)前工作狀態(tài)，此時Y6運行指示燈滅。按下X0按鈕能繼續(xù)進(jìn)行單次搬運工作再次按下X3即可急停。按下X1繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)搬運工作，若想再次急停，需按下X1退出循環(huán)搬運模式，再按X3按鈕即可急停。按下X4按鈕進(jìn)行復(fù)位，可通過顯示屏上燈亮判斷當(dāng)前機(jī)械手的位置狀態(tài)，顯示屏上復(fù)位中燈亮顯示機(jī)械手正在復(fù)位，復(fù)位完成燈亮即表示復(fù)位完成。結(jié)論通過本次設(shè)計的制作，我學(xué)習(xí)了很多關(guān)于機(jī)械手的基礎(chǔ)知識，知道了現(xiàn)如今國內(nèi)外此項目研