基于西门子PLC三轴机械手控制系统设计
基于西门子PLC三轴机械手控制系统设计[20200419154951]
摘要
随着科技的发展，传统的制造工艺已经无法满足当今社会的需求，而机械手能很好的解决这个问题。本设计以三轴机械手为研究对象，采用S7-200PLC可编程控制器对其进行控制。详细介绍了三轴机械手装置的构成与功能，在此基础上设计了硬件电路并完成连接，重点给出了机械手精确定位控制程序设计和上位机监控画面设计与组态。整个监控系统在实验设备调试通过，运行结果表明了该控制系统能有效的提高系统的智能性和柔性，达到设计要求。
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关键字:三轴机械手S7-200可编程控制器精确定位上位机
目 录
1绪论 1
2 三轴机械手装置的概述 3
2.1三轴机械手的基本结构 3
2.2机械手 3
2.3多层信号塔 5
2.4传感器 5
2.5步进电机与驱动 6
3 三轴机械手控制系统硬件电路设计与接线 9
3.1系统设计要求 9
3.2系统设计总体方案 9
3.3硬件电路设计 11
3.4硬件电路接线 14
4 三轴机械手控制程序设计 17
4.1三轴机械手程序设计思路 17
4.2三轴机械手程序设计主流程图 18
4.3主程序部分说明 19
4.4初始化子程序部分 20
4.5寻零子程序部分 21
4.6启动子程序部分 22
4.7停止子程序部分 22
4.8全局参数部分 23
5 三轴机械手监控画面设计与组态 24
5.1建立工程和配置设备 24
5.2设计界面 25
5.3定义变量 26
5.4动画连接 27
5.5画面命令语言 28
5.6联机调试 31
6总结 33
7参考文献 34
附录 35
1程序 35
1绪论
1.1 课题的背景与意义
随着中国大陆工业每一年不断的发展，机械发展也随着不断开展扩大，却因为中国大陆市场人均工资每年不断的高涨，使得各个厂商都开始用自动化机械设备来取代人力，成为了一种改善制程以及追求获取利润的方向。
机械手臂在现今的机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，他在工业制造，医学，娱乐，军事，半导体制造太空探索等领域都能见到它的身影。虽然它们的形态万千，但它们都有着一个相同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。
但是我国目前相关生产工业机械手的企业并不是很多，大部分的生产技术主要依靠于进口，国际龙头厂商掌握着主要的高科技的技术。导致国内机械手厂家受到控制系统的困扰,没有比较成熟稳定的伺服系统,所以不能生产高端机器。我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了采取价格战争夺市场还是很多本土生产企业的基本手段。并且技术日新月异，日臻成熟，将来此行业会有更多的厂商加入。
在当今生活中,科技的日新月异发展之下,机械人手臂具有人类的手臂所不具有的高灵活度与强耐力度，也就是说机械手可以重复的做同一动作在机械，而且在正常情况下不会像人类一样感觉到劳累。随着机械手臂的应用越来越广泛,使机械手成为了近几十年发展起来的一种高科技所必须的自动生产设备，作业的准确性和环境中完成作业的能力。工业机械手机器人的一个重要分支。
机械手可以减省工人，提高效率，降低成本，提高产品品质，安全性好，提升工厂形象。相信在不远的多轴机械手将来会起到更重要的作用。
1.2 多轴机械手控制现状
机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题。
50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。
国外自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化。自动化技术不断提高光电子、自动化控制 系统、传统制造等行业 的技术水平和市场竞争力，它与光电子、计算机、信息技术 的融合和创新，不断创造和形成新的行业经济增长点，同时不断提供新的行业发展的管理战略哲理。
1.3 课题设计的主要内容与章节安排
详细介绍了三轴机械手装置的构成与功能，在此基础上设计了硬件电路并完成接线，然后重点给出了机械手精确定位控制程序设计和上位机监控画面设计与组态。研究内容主要包括三轴机械手各个部分的详细介绍，PLC的选型、I/O分配、程序编写，还有基于组态王的界面设计、数据定义、通信和动画连接。最终使三轴机械手能够搬运物料。
针对以上的主要研究内容，本文大体结构安排如下：
第二章，介绍三轴机械手各个部件，如机械手，传感器，步进电机等，包括结构组成和工作原理。
第三章，主要讲三轴机械手硬件的选型，硬件电路设计和接线。包括I/O分配表，电气原理接线图等。
第四章，设计系统控制程序，主要分为主程序部分，初始化子程序部分，寻零子程序部分，启动子程序部分，停止子程序部分，全局参数部分六个模块来编写。
第五章，基于组态王设计组态监控系统，主要内容有通信配置、界面设计、数据定义，以及机械手和命令语言等部分。
第六章，进行论文的总结。
第七章，对使用的参考文献进行整理收录。
2 三轴机械手装置的概述
2.1三轴机械手的基本结构
机器由学校提供，采用的是昆山巨林科教实业有限公司制造的三轴机械手台式单元。配有PLC电机柜，气动元件，步进电机，驱动模块，传感器等，能够实现机械手的搬运，移动等。
本机器的电气控制系统是由西门子PLC，步进电机及其驱动模块，拖链，传感器，开关电源等器件组成。
该装置将PLC控制技术，速度位置控制技术，传感器的检测技术以及各种电动机的驱动技术有机的组合起来，可以完成物体的搬运，叠加等功能。
图2-1 三轴机械手的基本组成
由图2-1可以知道，三轴机械手通过三个步进电机来分别控制X轴,Y轴,Z轴来完成位置的移动，通过机械手来抓取和放开物料。通过多层信号塔来显示机器是否运行。
2.2机械手
机械手部分由吸盘，伸插气缸两部分组成组成。真空吸盘是通过伸插气缸来达到吸取的目的。当气缸运作时，引导活塞在其中进行直线往复运动，使连接的机械手部分的吸盘达到真空状态，从而达到对物料的抓取。当气缸停止运作时，使机械手部分的吸盘失去真空状态，从而达到放料的作用。
图2-2 三轴机械手吸盘
此吸盘为真空吸盘，又称真空吊具。
其特点具有：
一、易损耗。由于它一般用橡胶制造，直接接触物体，磨损严重，所以损耗很快，它是气动易损件。
摘要
随着科技的发展，传统的制造工艺已经无法满足当今社会的需求，而机械手能很好的解决这个问题。本设计以三轴机械手为研究对象，采用S7-200PLC可编程控制器对其进行控制。详细介绍了三轴机械手装置的构成与功能，在此基础上设计了硬件电路并完成连接，重点给出了机械手精确定位控制程序设计和上位机监控画面设计与组态。整个监控系统在实验设备调试通过，运行结果表明了该控制系统能有效的提高系统的智能性和柔性，达到设计要求。
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关键字:三轴机械手S7-200可编程控制器精确定位上位机
目 录
1绪论 1
2 三轴机械手装置的概述 3
2.1三轴机械手的基本结构 3
2.2机械手 3
2.3多层信号塔 5
2.4传感器 5
2.5步进电机与驱动 6
3 三轴机械手控制系统硬件电路设计与接线 9
3.1系统设计要求 9
3.2系统设计总体方案 9
3.3硬件电路设计 11
3.4硬件电路接线 14
4 三轴机械手控制程序设计 17
4.1三轴机械手程序设计思路 17
4.2三轴机械手程序设计主流程图 18
4.3主程序部分说明 19
4.4初始化子程序部分 20
4.5寻零子程序部分 21
4.6启动子程序部分 22
4.7停止子程序部分 22
4.8全局参数部分 23
5 三轴机械手监控画面设计与组态 24
5.1建立工程和配置设备 24
5.2设计界面 25
5.3定义变量 26
5.4动画连接 27
5.5画面命令语言 28
5.6联机调试 31
6总结 33
7参考文献 34
附录 35
1程序 35
1绪论
1.1 课题的背景与意义
随着中国大陆工业每一年不断的发展，机械发展也随着不断开展扩大，却因为中国大陆市场人均工资每年不断的高涨，使得各个厂商都开始用自动化机械设备来取代人力，成为了一种改善制程以及追求获取利润的方向。
机械手臂在现今的机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化
但是我国目前相关生产工业机械手的企业并不是很多，大部分的生产技术主要依靠于进口，国际龙头厂商掌握着主要的高科技的技术。导致国内机械手厂家受到控制系统的困扰,没有比较成熟稳定的伺服系统,所以不能生产高端机器。我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了采取价格战争夺市场还是很多本土生产企业的基本手段。并且技术日新月异，日臻成熟，将来此行业会有更多的厂商加入。
在当今生活中,科技的日新月异发展之下,机械人手臂具有人类的手臂所不具有的高灵活度与强耐力度，也就是说机械手可以重复的做同一动作在机械，而且在正常情况下不会像人类一样感觉到劳累。随着机械手臂的应用越来越广泛,使机械手成为了近几十年发展起来的一种高科技所必须的自动生产设备
机械手可以减省工人，提高效率，降低成本，提高产品品质，安全性好，提升工厂形象。相信在不远的多轴机械手将来会起到更重要的作用。
1.2 多轴机械手控制现状
机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手
50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。
国外自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化
1.3 课题设计的主要内容与章节安排
详细介绍了三轴机械手装置的构成与功能，在此基础上设计了硬件电路并完成接线，然后重点给出了机械手精确定位控制程序设计和上位机监控画面设计与组态。研究内容主要包括三轴机械手各个部分的详细介绍，PLC的选型、I/O分配、程序编写，还有基于组态王的界面设计、数据定义、通信和动画连接。最终使三轴机械手能够搬运物料。
针对以上的主要研究内容，本文大体结构安排如下：
第二章，介绍三轴机械手各个部件，如机械手，传感器，步进电机等，包括结构组成和工作原理。
第三章，主要讲三轴机械手硬件的选型，硬件电路设计和接线。包括I/O分配表，电气原理接线图等。
第四章，设计系统控制程序，主要分为主程序部分，初始化子程序部分，寻零子程序部分，启动子程序部分，停止子程序部分，全局参数部分六个模块来编写。
第五章，基于组态王设计组态监控系统，主要内容有通信配置、界面设计、数据定义，以及机械手和命令语言等部分。
第六章，进行论文的总结。
第七章，对使用的参考文献进行整理收录。
2 三轴机械手装置的概述
2.1三轴机械手的基本结构
机器由学校提供，采用的是昆山巨林科教实业有限公司制造的三轴机械手台式单元。配有PLC电机柜，气动元件，步进电机，驱动模块，传感器等，能够实现机械手的搬运，移动等。
本机器的电气控制系统是由西门子PLC，步进电机及其驱动模块，拖链，传感器，开关电源等器件组成。
该装置将PLC控制技术，速度位置控制技术，传感器的检测技术以及各种电动机的驱动技术有机的组合起来，可以完成物体的搬运，叠加等功能。
图2-1 三轴机械手的基本组成
由图2-1可以知道，三轴机械手通过三个步进电机来分别控制X轴,Y轴,Z轴来完成位置的移动，通过机械手来抓取和放开物料。通过多层信号塔来显示机器是否运行。
2.2机械手
机械手部分由吸盘，伸插气缸两部分组成组成。真空吸盘是通过伸插气缸来达到吸取的目的。当气缸运作时，引导活塞在其中进行直线往复运动，使连接的机械手部分的吸盘达到真空状态，从而达到对物料的抓取。当气缸停止运作时，使机械手部分的吸盘失去真空状态，从而达到放料的作用。
图2-2 三轴机械手吸盘
此吸盘为真空吸盘，又称真空吊具。
其特点具有：
一、易损耗。由于它一般用橡胶制造，直接接触物体，磨损严重，所以损耗很快，它是气动易损件。
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