【基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)5500字（論文）】

基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)摘要本文基于西門子PLC氣動(dòng)機(jī)械臂控制系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)構(gòu)成、軟硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能分析等。用西門子PLC實(shí)現(xiàn)空氣機(jī)械手的控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，包括可編程序控制器電路、氣動(dòng)線路、機(jī)械臂軌跡線路、機(jī)械外圍電路的設(shè)計(jì)部分：顯示、報(bào)警電路等設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要模塊選用的器件有：可編程序控制器，安全傳感器，顯示屏，報(bào)警芯片等構(gòu)成。利用PLC編寫合適的控制程序梯形圖，結(jié)合PLC進(jìn)行機(jī)械臂的系統(tǒng)控制，制定合適機(jī)械臂的行動(dòng)范圍和軌跡以及實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對所需環(huán)境的預(yù)期控制，氣動(dòng)閥通過系統(tǒng)控制作為動(dòng)能推動(dòng)機(jī)械臂做功以到達(dá)預(yù)期功能。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)機(jī)械臂；可編程控制器（西門子PLC）；傳感器；氣動(dòng)閥TOC\o"1-3"\h\u313841引言 引言近來，隨著大型集成電路微電子技術(shù)的大力發(fā)展，PLC已經(jīng)由原來單一的機(jī)器發(fā)展到現(xiàn)在的16位和32位處理器的微機(jī)。目前，PLC技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很成熟，控制性能也越來越強(qiáng)、功耗和成本較初期也有了更深入的變革、編程機(jī)動(dòng)性更廣泛，而且I/O的遠(yuǎn)程設(shè)定和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的處理工作發(fā)展變化也很成熟，使PLC更加被工業(yè)自動(dòng)化所普遍使用。結(jié)合西門子PLC，給氣動(dòng)機(jī)械臂編寫相應(yīng)的控制程序，開發(fā)出合適的機(jī)械臂手臂的動(dòng)作范圍和軌跡，并實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂手臂到所需環(huán)境的預(yù)期控制，氣動(dòng)閥通過系統(tǒng)控制作為動(dòng)力，促進(jìn)機(jī)械臂手臂達(dá)到預(yù)期的功能。本文基于西門子PLC的氣動(dòng)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，包含對系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的組成、軟硬件的設(shè)計(jì)與功能的分析。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與元器件選型2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案黑箱結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：壓縮機(jī)作為驅(qū)動(dòng)能，啟動(dòng)壓縮機(jī)，利用氣動(dòng)閥的控制元件控制氣體來推動(dòng)機(jī)械臂工作，同時(shí)用PLC來控制氣動(dòng)閥調(diào)節(jié)氣體大小，從而調(diào)節(jié)機(jī)械臂的速度，PLC同時(shí)也給機(jī)械臂命令以行駛運(yùn)動(dòng)軌跡來夾持松放工件。在此方案的基礎(chǔ)上加載報(bào)警裝置及顯示屏系統(tǒng)，可以有效的起到防護(hù)及監(jiān)測的目的，從而提高機(jī)械臂的利用率。圖2-1黑箱設(shè)計(jì)方案2.2元器件的選型2.2.1PLC的選擇PLC有四個(gè)大品牌的公司分別是：西門子、施耐德、AB和通用電氣。中型PLC的品牌公司：西門子、施耐德、歐姆龍、三菱。小型PLC的品牌公司：西門子、歐姆龍、三菱、LS、松下、富士。S7-200系列PLC的特點(diǎn)：是西門子公司制造的小型PLC它具有以下特點(diǎn)（1）擁有緊湊的結(jié)構(gòu)（2）良好的擴(kuò)展性能（3）強(qiáng)大的功能指令（4）成本價(jià)格低廉。S7-200PLC的CPU模塊：CPU具有特定的數(shù)字輸入輸出功能，包括：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。。擴(kuò)展模塊：主要是數(shù)位擴(kuò)充模組：EM221、EM222、EM223。模擬量擴(kuò)展模塊:EM231、EM232、EM235。通信模塊：EM277、EM241、EM241等，能夠輕松實(shí)現(xiàn)控制的大小?？刂颇K的應(yīng)用范圍更廣。S7-200PLC可以方便地構(gòu)成PLC-PLC和PC—PLC網(wǎng)絡(luò)，為大型項(xiàng)目提供了便利。S7-200的程序設(shè)計(jì)：STEP7-Micro/WIN32.本程序可以在WINDOWS中實(shí)現(xiàn)對PLC的編程、調(diào)試和監(jiān)控。從而使PLC編程更加方便快捷。S7-200能夠很好的適應(yīng)小型控制系統(tǒng)的需求，所以我們選用了西門子S7-200PLC。圖2-2西門子PLCS7-200外部結(jié)構(gòu)圖2.2.2傳感器的選擇傳感器的選擇主要分為以下幾點(diǎn)：1、選擇合適的靈敏度：靈敏度越高被測量的輸出信號值越大，有利于信號處理。若測量值為單一矢量，則應(yīng)選用具有高指向性的感測器；若要測量的是多維矢量，則應(yīng)選用具有低靈敏度的傳感器。2、頻率響應(yīng)特征：它是由傳感器測得的頻率范圍決定的。3、線性范圍：沒有一種傳感器能保證它的線性，它的線性程度是相對的?？蓪⒎蔷€性誤差較小的傳感器近似看作線性的，前提是當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，這使得測量更加準(zhǔn)確且方便。4、穩(wěn)定性：傳感器必須選擇能適應(yīng)惡劣環(huán)境的。5、精度：精度是影響整個(gè)測量系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素。通過上述傳感器的選擇要求，結(jié)合機(jī)械臂設(shè)計(jì)的總體方案需要，因此，我選擇紅外線感應(yīng)光電傳感器E3F-DS30C4接近漫反射式傳感器。它具有防雨防潮、超強(qiáng)防干擾、體積小、易安裝、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。3氣動(dòng)機(jī)械臂的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件概述機(jī)械臂存在動(dòng)作元素，可以執(zhí)行不同的動(dòng)作，氣缸A可以讓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，氣缸B可以讓機(jī)械臂柱實(shí)現(xiàn)起落運(yùn)動(dòng)，氣缸D可以讓機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)手爪C可以達(dá)到抓地力和松動(dòng)的效果。我們希望通過控制執(zhí)行的四個(gè)要素的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到工作運(yùn)動(dòng)的目的。另一方面要實(shí)現(xiàn)的操作過程是:左移動(dòng)、右移動(dòng)、前移動(dòng)、后移動(dòng)、上移動(dòng)、下移動(dòng)、夾爪打開、夾爪夾緊。為此，必須相互匹配四個(gè)氣缸的氣流，并且一次只能更換一個(gè)氣缸。用四個(gè)電磁變換閥控制四個(gè)氣缸的更換，四種電磁轉(zhuǎn)換閥采用AC繼電器KM、中繼KA、KT等設(shè)計(jì)控制電路按順序進(jìn)行控制，依次實(shí)現(xiàn)八個(gè)動(dòng)作完成。如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)原理圖3.2PLC的I/O分配氣動(dòng)機(jī)械臂中，升降氣缸、伸縮氣缸、擺動(dòng)氣缸和氣爪氣缸通過機(jī)械臂上的電磁閥檢測，在每個(gè)氣缸上安裝了兩個(gè)電磁閥來進(jìn)行機(jī)械臂的運(yùn)行。啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停、每一限位共12個(gè)輸入端口，其中4個(gè)執(zhí)行氣缸使用了兩個(gè)電動(dòng)電磁閥，1個(gè)使用單控閥，再加上啟動(dòng)、停止、指示復(fù)位、電磁閥等10個(gè)輸出端口。表格3-1中列出了輸入和輸出的特定分配。表3.1輸入/輸出分配表輸入輸出輸入PLC輸入輸出PLC輸出啟動(dòng)按鈕I0.0啟動(dòng)指示HL1Q2.0停止按鈕I0.0停止指示HL2Q2.1復(fù)位按鈕I2.2復(fù)位指示Q2.3急停按鈕I0.3急停指示Q2.4上限位I1.6上行電磁閥Q1.6下限位I1.7下行電磁閥Q1.7左限位I1.2左行電磁閥Q1.2右限位I1.3右行電磁閥Q1.3前限位I1.4前行電磁閥Q1.4后限位I1.5后行電磁閥Q1.5夾爪打開I1.0夾爪關(guān)閉I1.1圖3.2PLC內(nèi)部接線圖3.3傳感器的設(shè)計(jì)傳感器是氣動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)的重要組成部分，傳感器在電氣技術(shù)中發(fā)揮著極為重要的作用。沒有傳感器技術(shù)，電氣技術(shù)也就無法發(fā)展，傳感器相當(dāng)于系統(tǒng)的感官器官，它可以快速準(zhǔn)確地獲取信息，并承受惡劣的環(huán)境，確保電氣系統(tǒng)達(dá)到高水平。當(dāng)今電力機(jī)械臂技術(shù)的飛速發(fā)展也離不開傳感器，如果沒有傳感器，機(jī)械臂將難以發(fā)展。傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對象信息進(jìn)行自動(dòng)捕捉，系統(tǒng)的報(bào)警和急停功能才得以實(shí)現(xiàn)和實(shí)施。3.3.1安全傳感器要說機(jī)械臂是模仿人的肢體，那么傳感器就是機(jī)械臂的感官系統(tǒng)，賦予機(jī)械臂更加真實(shí)的操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)所使用的安全傳感器，主要是裝在機(jī)械臂的手臂及手指位置。如圖3-3所示。圖3-3安全傳感器3.3.2光電傳感器系統(tǒng)采用安全光柵，即光電子安全防護(hù)罩，目前的工作環(huán)境是由人工和機(jī)械機(jī)器一起進(jìn)行工作的，比如大型沖壓機(jī)械、切割機(jī)器、裝配線生產(chǎn)、輸變電裝置、危險(xiǎn)區(qū)域（有毒、高壓、高溫）等工作，人工的人身安全極容易受到威脅。光電傳感器發(fā)射紅外光線，產(chǎn)生光電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)光線被遮擋時(shí)急停裝置急停發(fā)出斷電信號，這樣才能有效地防止安全事故。采用光電電子安全保護(hù)設(shè)備，能很好地防止安全事故，大大降低了操作人員和第三方的風(fēng)險(xiǎn)，并降低了事故的整體費(fèi)用。見圖3-4。圖3-4光電傳感器圖3-5傳感器原理圖3.3.3其他外部硬件在氣動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械臂手臂在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，那么為了解決這一缺陷，那么會(huì)在氣動(dòng)裝置上安裝氣動(dòng)電機(jī)，氣壓馬達(dá)以壓縮空氣為介質(zhì)，將壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力設(shè)備。3.4安全報(bào)警系統(tǒng)安全報(bào)警系統(tǒng)具有高性能價(jià)格比，能做到投資少、管理高效、人員減少，利用先進(jìn)技術(shù)達(dá)到戰(zhàn)斗力。同時(shí)結(jié)合傳感器系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)械臂手臂在操作時(shí)，人們操作錯(cuò)誤或需要停止機(jī)械臂手臂，這一次只要觸摸傳感器的傳感范圍，機(jī)械臂手臂就會(huì)立即停止，同時(shí)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，工作人員處理問題，不僅可以保護(hù)人們的安全，還可以節(jié)省人力，就在機(jī)械臂手臂報(bào)警過來處理它的時(shí)候。這次設(shè)計(jì)的機(jī)械臂報(bào)警系統(tǒng)，主要有7個(gè)光電開關(guān)，可以自動(dòng)檢測危險(xiǎn)問題，3S后發(fā)出報(bào)警。如圖3-6所示。圖3-6報(bào)警系統(tǒng)原理圖PLC的可靠性和抗干擾能力強(qiáng)，而LED和蜂鳴器壽命較短，我們可以使用相同型號的LED和蜂鳴器，進(jìn)行按時(shí)更換，系統(tǒng)的性能可以得到大幅度提高，而且系統(tǒng)故障報(bào)警水平高，經(jīng)濟(jì)允許，可以添加一套系統(tǒng)。系統(tǒng)的I/O分配顯示在表3-2中。表3-2報(bào)警系統(tǒng)I/O地址分配光電檢測開關(guān)1I2.3報(bào)警1（光電報(bào)警）Q1.2光電檢測開關(guān)2I2.4報(bào)警2（安全報(bào)警）Q1.3光電檢測開關(guān)3I2.5指示燈1Q1.7光電檢測開關(guān)4I2.6指示燈2Q1.4光電檢測開關(guān)5I2.7指示燈3Q1.5光電檢測開關(guān)6I3.0指示燈4Q1.6光電檢測開關(guān)7I3.1光電檢測系統(tǒng)開始I0.0光電檢測系統(tǒng)結(jié)束I0.2光電檢測位置顯示燈1Q2.3光電檢測系統(tǒng)急停I0.3光電檢測位置顯示燈2Q2.4光電檢測位置顯示燈3Q2.5光電檢測位置顯示燈4Q2.6報(bào)警系統(tǒng)開始I1.1光電檢測位置顯示燈5Q2.7報(bào)警系統(tǒng)停止I2.2光電檢測位置顯示燈6Q3.0光電檢測位置顯示燈7Q3.14氣動(dòng)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)概述西門子氣動(dòng)機(jī)械臂的軟件控制主要由：中央處理單元（CPU）、系統(tǒng)程序存儲區(qū)、I/O地址區(qū)、用戶程序存儲區(qū)、子程序單元組成。程序開始，壓縮機(jī)運(yùn)行，同時(shí)PLC可以控制壓縮機(jī)的功率大小，PLC可以控制模式的選擇，初始模式為自動(dòng)模式，在有特殊情況下可以通過液晶控制屏來進(jìn)行手動(dòng)控制。機(jī)械臂運(yùn)行過程中出現(xiàn)緊急情況被光電檢測傳感器檢測到可以實(shí)現(xiàn)急停并進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警位置會(huì)發(fā)送至顯示屏供操作人員觀測解決，急停結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，回到原點(diǎn)，進(jìn)行重啟再運(yùn)行。如圖4-1所示程序流程圖。圖4-1軟件系統(tǒng)程序圖4.2急停控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用應(yīng)急停止控制系統(tǒng)，包含電源的采集模塊、傳感器工作模塊和應(yīng)急停止控制模塊，其中電源收集模塊和傳感器工作模塊輸入電氣連接、傳感器工作模塊和應(yīng)急停止控制模塊連接、報(bào)警系統(tǒng)和應(yīng)急停止控制并排，在傳感器感應(yīng)工作中，信號傳輸?shù)綀?bào)警系統(tǒng)和應(yīng)急停止控制系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)響鈴，應(yīng)急停車控制系統(tǒng)緊急停車。工作人員按下緊急停止鍵后，機(jī)器人臂也隨之停止，松下緊急停止鍵，機(jī)器人臂重新開始工作。圖4-2顯示。圖4-2急停梯形圖4.3液晶顯示屏系統(tǒng)作為西門子PLC機(jī)械臂的操作終端，機(jī)械臂的操作可以通過液晶顯示屏來發(fā)出指令。（1）屏幕功能（用戶屏幕功能、系統(tǒng)屏幕）用戶屏幕功能（用戶制作屏幕）(2）系統(tǒng)屏幕功能監(jiān)控功能（3）數(shù)據(jù)采樣功能（4）報(bào)警功能?？紤]到液晶屏要監(jiān)控各個(gè)部位并進(jìn)行操控，任務(wù)相對來說比較的繁重。那么本系統(tǒng)采用MT506TV型號的顯示觸摸屏。（1）可以隨時(shí)的監(jiān)測機(jī)械臂運(yùn)行的狀態(tài)。（2）可用觸碰顯示屏來操控機(jī)械臂，并向PLC反應(yīng)程序?？梢杂脕頇z測其他設(shè)備的控制比如：故障部位、報(bào)警部位以及急停狀態(tài)。（3）通過顯示屏可以錄制或者截圖成為視頻或圖片，功能更強(qiáng)。如圖4-3內(nèi)部接線圖。圖4-3PLC與顯示屏接線圖4.4機(jī)械臂抓取系統(tǒng)氣動(dòng)機(jī)械臂的抓取系統(tǒng)：初始狀態(tài)時(shí)，氣動(dòng)機(jī)械臂位于原點(diǎn)位置（夾爪出于松開狀態(tài)，機(jī)械臂位于上行、縮回狀態(tài)）。按下啟動(dòng)按鈕I1.0后，首先機(jī)械臂伸出，緊接著手臂下行并夾取工件，抓穩(wěn)后，機(jī)械臂上行，縮回，機(jī)械臂左行或者右行到位后，機(jī)械臂下行，手爪松開工件，最后，機(jī)械臂上行、縮回，回到原點(diǎn)位置，進(jìn)行下一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。如圖4-4所示機(jī)械臂抓取程序梯形圖。圖4-4機(jī)械臂抓取程序梯形圖4.5光電檢測系統(tǒng)西門子PLC的氣動(dòng)機(jī)械臂光電檢測系統(tǒng)共有7個(gè)光電檢測開關(guān)，把這些光電檢測開關(guān)分別安裝在機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)鍵部位上。系統(tǒng)是把7個(gè)光電檢測開關(guān)進(jìn)行并聯(lián)，只要其中一個(gè)光電檢測開關(guān)檢測到危險(xiǎn)，那么系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并進(jìn)行急停。如圖4-5光電檢測程序梯形圖所示。圖4-5光電檢測系統(tǒng)梯形圖5系統(tǒng)調(diào)試5.1可編程序控制器開發(fā)工具1.Micro/Win-是SIMATICS7-200項(xiàng)目分包程序的西門子S7-200程序設(shè)計(jì)。2.STEP7-微/WINSMART：專門用于S7-200SMART的程序，它支持LAD,FBD,STL。安裝檔案少于10MB。3.STEP7V5.5+是西門子S7-300、S7-400、ET200的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)。4.SIMATICWinCCflexible——是西門子HM可視化配置軟件。5.TIAPortalV15—博途TIAPortal是西門子新的編程軟件，支持的plc有S7-300,S7-400,S7-1500,S7-1200。(不支持S7-200CN)TIAPortal軟件需要特殊說明的是集成了(STEP7V15、WINCCV15、PLCSIMV15)5.2公共程序調(diào)試公共程序調(diào)試是程序設(shè)計(jì)的前提，氣動(dòng)機(jī)械臂的動(dòng)力源為氣體，機(jī)械臂要想運(yùn)行，需要靠壓縮機(jī)來供氣，所以首先壓縮機(jī)運(yùn)行，推動(dòng)機(jī)械手臂運(yùn)行。圖5-1公共程序梯形圖5.3自動(dòng)及手動(dòng)操作程序調(diào)試PLC運(yùn)行，壓縮機(jī)M0.0啟動(dòng)，左行按鈕閉合機(jī)械臂自動(dòng)左移，左移時(shí)無法右移，左限位時(shí)，左移停止，也可以手動(dòng)按下運(yùn)行停止按鈕I2.0，左移也可停止。同理右移也是如此。機(jī)械臂分為左右結(jié)構(gòu)，上下結(jié)構(gòu)，前后結(jié)構(gòu)和夾爪打開關(guān)閉結(jié)構(gòu)，程序都可以進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)操作，其操作原理都與左移相同。程序梯形圖如下所示。5.4系統(tǒng)報(bào)警及復(fù)位程序調(diào)試系統(tǒng)報(bào)警及復(fù)位程序，在機(jī)械臂左右前后上下運(yùn)行時(shí)，7個(gè)光電傳感器會(huì)一直運(yùn)行，在光電傳感器感應(yīng)到危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警急停。等到危險(xiǎn)解除后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行復(fù)位，那么機(jī)械臂就會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。6結(jié)論本設(shè)計(jì)對基于西門