QSPLC-JXS机械手

厦门大学第二届工业自动化大赛

初赛作品

课题名称：工业机械手设计

院系：物理与机电工程学院机电系

专业: 12级电气工程及其自动化

小组成员：董震宇、欧阳少威、孙泉阳、赵丽萍

指导老师：许英杰

联系方式：180********

邮箱：861871671@https://www.wendangku.net/doc/4418638888.html,

摘要

在工业生产等相关领域，会有一些高温、腐蚀和有毒物质等出现在工作环境中，危害工作人员的健康，增加操作人员的工作难度。机械手可以解决这些问题，代替工人完成拿取和搬运等工作，适合用于可变化生产品种的中、小规模生产。

本作品主要通过PLC完成对机械手模型的控制，使其完成一系列的动作过程，并用Wincc对机械手进行监控，将机械手的动态过程进行画面监控和显示。本机械手主要由PLC主机、机械手、步进电机及其驱动器、传感器、光电编码器、气动元件等组成。可以实现机械手的上下移动、左右移动、底盘旋转及手爪旋转、抓放动作。

本报告主要对作品的实现功能、程序设计方案、人机界面设计、电气接线图设计、实际调试过程等进行汇报。

Abstract

In related fields, such as industrial production，There will be some high temperature, corrosive and toxic substances present in the work environment, Health hazards of staff, increasing the difficulty of the work of the operator.The robot can solve these problems,instead of workers to pick up and transport etc.It is suitable for the production of varieties may change, the small-scale production.

This work is mainly to complete the robot model is controlled by the PLC,completing the process of making a series of actions,with Kingview manipulator monitor,the dynamic process of the robot be monitored and displayed screen.The robot consists of a host PLC, robot, stepper motors and drives, sensors, optical encoders, pneumatic components and other components.Manipulator can move up and down and left and right to move, rotate and gripper rotating chassis, pick and place operation.

This report focuses on the realization of the work function, program design, human-computer interface design, electrical wiring diagram design, the actual process of debugging and other reporting.

目录

目录 (5)

队员信息 (7)

第一部分：作品提纲 (8)

一、作品研究意义 (8)

二、国内外研究现状 (8)

2.1.国内研究现状 (8)

2.2.国外研究现状 (9)

第二部分：系统总体方案设计 (10)

一、PLC介绍 (10)

二、Wincc介绍 (11)

2.1.仿真的基本方法 (11)

2.2.编制过程注意点 (11)

三、机械手系统介绍 (11)

3.1.机械手本体 (13)

3.2.机械手本体的活动范围： (14)

3.3.步进电机及其驱动器 (14)

3.3.1.步进电机 (14)

3.3.2.步进电机的参数如下 (14)

3.3.3.步进电机驱动器 (15)

3.4.限位开关和接近开关 (18)

3.4.1.接近开关 (18)

3.4.2.限位开关 (19)

3.5.旋转码盘 (19)

第三部分：设计步骤 (20)

一、设计要求 (20)

二、难点预估 (20)

三、机械手主要功能 (21)

四、具体运动流程 (21)

3.1.机械手示意图如图12所示： (21)

3.2.具体运动步骤（这部分就等编完了，最后看实现什么功能在写吧） (22)

3.2.1.自动运行(让震宇先生来写吧，或者他告诉我也行） (22)

五、程序设计 (23)

4.1.程序设计I/O分配表 (25)

4.2.程序设计及其分析 (25)

六、人机界面设计 (29)

5.1.登陆界面设置 (29)

5.2.监控画面 (30)

5.3.管理员监控画面 (31)

5.4.调试界面 (32)

5.5.自动运行界面 (33)

5.6.系统简介界面 (34)

5.7.数据变量设置 (34)

5.8.Wincc与控制器连接 (34)

七、系统接线图绘制 (35)

八、调试阶段及解决方案 (35)

第四部分：结课总结 (36)

一、项目总结 (36)

二、课程总结 (37)

队员信息

团队

名称

甜四小组

参赛小组情况

姓名年级专

业

学号个人介绍

董震宇

（队长）

12电气

本科

19920122203431 完成编程、接线及机械手调试

工作。

欧阳少威12电气

本科

19920122203485 完成电气接线图绘制，人机界

面设计工作，并协助调试和接

线。

孙泉阳12电气

本科

19920122203492 完成人机界面设计工作，并协

助调试和接线。

赵丽萍12电气

本科

19920122203540 完成部分电气接线图绘制和

文本制作，并协助调试工作。

第一部分：作品提纲

一、作品研究意义

机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业化的发展，机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手已经广泛的用于锻压、焊接、冲压、锻造、装配、机加、喷漆、热处理等各行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手得到了特别的应用。正因为机械手的这些应用，提高了生产中的劳动生产率、改善劳动条件、减轻工人劳动强度，成为实现工业生产自动化的重要方式。现在国内应用正在一步步扩大，国外应用比较成熟和广泛，因此国内外都十分重视机械手的应用和发展。

对于学生而言，这是一个综合性的工程。在完成作品的过程中，我们加深了对机械手的了解和控制。由于整个过程需要很多别的知识，我们要通过自学来充实自己，这就提高了我们学习和接受知识的能力。并且对已学知识有了一个更深的认识和掌握，提高了我们的动手能力以及解决实际问题的能力。整个任务下来，我们基本了解了一个工程的设计、执行和调试等工作，把理论付诸于实践，有很大收获。

二、国内外研究现状

2.1.国内研究现状

目前在国内，机械手主要应用在机加方面，比如喷涂机械手、弧焊接机械手、点焊接机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手等，应用在各种需要的工作场合，对工业自动化的发展有很大的帮助。在技术上，已经基本掌握了机械手的设计制造技术，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、弧焊自动化及周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术等；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。总体上来讲，我国已具备独立自主研发机械手技术的基础和能力。

2.2.国外研究现状

机械手首先是从美国开始研制的，并且申请了专利。前期美国研制的工业机器人主要由类似人类的手和臂组成，可以代替人得繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有还环境下操作以保护工人的人身安全，因而广泛的应用于机械制造、、电子、轻工业和原子能等方面。

近几年国外工业机械手领域有一下发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格有下降趋势；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。

第二部分：系统总体方案设计

根据课题要求，选用PLC、WINCC和机械手来实现本作品的程序编写、界面控制、功能实现等，以下进行具体介绍。

一、PLC介绍

PLC实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用PLC厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。机械手控制系统采用PLC控制，体积小、重量轻、控制灵活方便、可靠性高、操作简便、维修容易，其具有灵活性、模块化、易扩展，可以实现机械手的不同工作要求。机械手采用PLC控制技术，可以提高该系统的自动化程度，减少大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高控制系统的可靠性。同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。

PLC同样由硬件和软件两部分组成，其硬件有微处理器（CPU）、存储器、输入输出部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。其结构图如图1所示：

图1.PLC硬件系统组成

二、Wincc介绍

Wincc是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，具有适应性强、开放性好、易于扩展、开发周期短等特点。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制盒报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用，本设计通过Wincc软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化，能够方便的和PLC进行连接，故采用Wincc作为上机位软件。

2.1.仿真的基本方法

使用Wincc实现控制系统实验仿真的基本方法：

（1）图形界面的设计

（2）构造数据库

（3）建立动画连接

（4）运行和调试

2.2.编制过程注意点

在采用Wincc开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面：（1）图形，是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

（2）数据，就是创建一个具体的数据库，并用次数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、流量等。

（3）连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

三、机械手系统介绍

本次作品使用的是QSPLC-JXS机械手模型装置。机械手实物教学模式的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组成;电气方面有步进电

机、直流电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成。该模型是PLC技术、位置控制技术、气动技术有机结合成一体的教学仪器。可实现机械手控制，完成料块的码放、移动等。装置如图2所示。

图2.机械手整体实物图

该系统由机械手本体、PLC 控制单元、电源单元、接口单元，其部件的实物结构如图3所示：

图3.各部件实物图

3.1.机械手本体

机械手本体按功能分由二轴平移机构、旋转底盘、旋转手臂机构、气体、夹手、支架、限位开关等部件组成：

按活动关节分为S轴、L轴、U轴、T轴、B轴等机构，其结构示意图如图4所示：

图4.机械手结构示意图

3.2.机械手本体的活动范围：

（1）底盘的旋转角度：大于270°

（2）旋转手臂的范围：大于270°

（3）水平移动的范围：小于21cm

（4）垂直移动的范围：小于15cm

3.3.步进电机及其驱动器

3.3.1.步进电机

采用Syntron42BYG250C两相混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。

3.3.2.步进电机的参数如下

电机固有步距角，它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如42BYG250C型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°)，这个步距角可以称之为“电机

固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机如图5所示。

图5.步进电机

3.3.3.步进电机驱动器

实验室里采用Syntron SH-20403细分驱动器。步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。

驱动器参数如下表1、表2、表3、表4所示。步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻。驱动器输入端为低电平有效。PLC通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当PLC输出线圈得电时，晶体管导通。

相应的触点输入低电平，使驱动器光耦导通，当PLC输出线圈失电时，晶体管关断，使驱动器光耦截止。另外若不采用驱动器，而采用plc输出触点直接驱动步进电机，会占用很多的输出触点，同时给编程带来不便。

步进电机驱动器实物图如图6所示：

图6.步进电机驱动器

以下为驱动器的一些性能参数：

表1.电流设定

电流值SW5 SW6 SW7

0.9A ON PN ON

1.2A ON ON OFF

1.5A ON OFF ON

1.8A ON OFF OFF

2.1A OFF ON ON

2.4A OFF ON OFF

2.7A OFF OFF ON

3.0A OFF OFF OFF

表2.性能指标

供电电源10V-40VDC,容量

0.03KV A

重量0.21Kg

输出电流

峰值3A/相（MAX）绝缘电阻在常温常压下小

于100MΩ

驱动方式

恒相流PWM控制绝缘强度在常温常压下

0.5Kv，1Min

表3.电气规格

说明最小值典型值最大值单位供电电压18 24 40 V 均值输入电流0.21 1 1.50 A 逻辑输入电流 6 15 30 mA 步进脉冲响应——100 kHz 脉冲低电平时 5 — 1 μs

表4.接线信号描述

信号功能

CP 脉冲信号，下降沿有效，共阳极时脉冲低电平持续时间不小于DIR 方向信号：用于改变电机转向，高低电平控制电机正/反

OPTO 输入信号的公共端，接+5V

FREE 脱机信号：当输入控制端为低时，电机属于脱机自由状态

CND 直流电流地励磁电流被关断，电机处于脱机自由状态。

+V 直流电流正极，典型值+24V

A+ 电机A相

A- 电机A相

B+ 电机B相

B- 电机B相

直流电机实物图如图7所示：

图7.直流电机

直流电机驱动器单元

采用ZHENG ZGA37RA188Ino:105A127直流电机凯控制底盘和手爪的旋转动作。

本装置中直流电机驱动模块是由两个继电器的吸合与断开来控制控制电机的转动方向的，从而实现基座和气夹的正反转。本模型所用输入、输出均为高电平有效。其中IN端接PLC的输入端口，OUT端接模型的信号输入端。COM端接PLC的传感器电源负端。

3.4.限位开关和接近开关

3.4.1.接近开关

本装置中使用的传感器有接近开关和限位开关。基座和气夹的正反转限位采用接近开关（金属传感器），通过调整基座和气夹上的金属块的位置，可以在一定范围内改变基座和气夹的旋转角度。机械手的伸缩、升降均采用行程开关来限位，并通过改变行程开关的位置来调节横轴和竖轴的运动范围。

接近开关有三根连接线，其中两根分别接到电源的正极、负极、有一根为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为电高平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效，实物图如图8所示。

图8.接近开关

3.4.2.限位开关

当档块碰到开关时，常开点闭合。

图9.限位开关

3.5.旋转码盘

为了实现底盘的定位控制，需要用到旋转码盘。旋转码盘是一种将角位移转换成脉冲值的检测装置，其结构如图11所示。

当电机旋转时，带动码盘一块旋转，此时光电开关在码盘的作用下发出一组脉冲信号，通过检测这些脉冲信号就可以检测电机的旋转角度了。

图11.旋转转盘

第三部分：设计步骤

一、设计要求

本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的连接和软件的设计。

通过设计编写PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制，通过编写不同的程序，可以实现机械手功能的多样化，充分体现机械手的灵活性和实用性。由于我们课题的硬件需求，我们选择s7-200来编写程序。利用Wincc软件设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，实现机械手的监控。通过人机界面将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化，提供较为直观、清晰、准确的机械手运动状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。我们主要工作分为以下方面：

1.清楚了解机械手要实现的功能，并且了解硬件组态和软件使用。列出PLC

的I/O分配表，选择S7-200进行编程，实现机械手功能。

2.设计人机界面，绘制机械手模型，进行人机界面和PLC的数据连接，能清楚

的展示机械手的动画过程和功能，并能实现远程控制。

3.绘制整体的电气接线图，能大致了解整个装置的电气接线。

4.进行文本制作，完整的展示本课题的基本情况，包括软件选择及其及其基本

介绍、硬件介绍、程序设计、人机界面设计、电气接线图绘制、程序调试过程等等。

5.进行最终的汇报展示。

二、难点预估

在刚接触到工业机械手项目设计，我们遇到了不少的技术难点。如下：

1．在刚开始进行这个项目时，对PLC编程方法的不熟练。而且由于本项目的硬件需要，要用S7-200来进行程序的编写。虽然S7-200和S7-300没有太大的差别，但刚开始也有很多需要学习的地方。比如：编程方法、指令的运用等等。

2．硬件方面难点。由于不了解硬件结构，在初步实物接线时，会有一定难