基于西門子S7-200PLC的自動化翻漿機的結構設計TOC\o"1-3"\h\u5694摘要 II摘要近年來隨著自動化控制技術的快速發展，可編程控制器在工業控制上逐漸嶄露頭角。自動化翻漿機是一種模擬人類進行陶瓷翻漿的一種PLC控制翻轉型機械裝置，是機電一體化的產物。本課題針對中小型陶瓷成型中回漿步驟仍采用人工居多，所設計的代替人工作業的裝置，所涉及的是自動控制翻漿的設計方案，由夾持和翻轉兩個主要部分組成。本文主要介紹自動控制翻漿機的的結構、工作原理及主要部件設計。結合做過的機電一體化設計，本次選定西門子S7-200系列PLC為控制元件。關鍵詞：可編程控制器；翻轉機構；陶瓷成型；自動控制1引言1.1課題的研究背景及意義1.1.1課題的研究背景隨著經濟的迅速發展，陶瓷工業逐漸走向規模化，機械自動化。近年來，市面上出現越來越多陶瓷成型自動化的產物，如自動注漿機等，愈來愈多的機械設備取代人工進入流水生產線，但獨立的自動控制翻漿機還沒有出現，翻轉機構應用于很多領域，同樣在陶瓷成型裝置中舉足輕重。1.1.2課題的研究意義自動化工程技術科學是一門可以涉及很多專門學科很多技術方向，在各個領域被廣泛研究使用大放異彩的現代綜合性工程科學技術，它本質上是指機器在或多或少的情況下直接參與運行，它可以按照人們的要求，通過自動檢測，信息傳遞處理，操縱，控制，分析，判斷，實現預期目標的過程。隨著電子科學信息技術的不斷迅猛發展，電子信息儀器技術野蠻般的生長，當自動計算機的創新出現并被廣泛應用，人們對工業自動化技術有了更深刻的認識和更新理解并并提出了更高的發展目標。一種更高技術要求的人出現了，他們甚至覺得使用自動化制造技術不僅僅是要能直接代替一些人工，而且還要做到可以直接幫助一些人們自動進行腦力勞動，從而自動化來完成一些人們自己想要自動完成的各項工作。自動化生產技術的廣泛采用不僅僅是可以幫助使企業人們大大提高企業勞動生產率，幫助企業人們很快擺脫繁重的業余體力勞動，節省下部分腦力勞動，讓企業人們從惡劣而危險的企業工作生活環境中很快解脫得了出來。它還認為可以有效節約使用時間和并擴大現代人體器官的使用功能，豐富現代人們的科學想象力、創造力，增強現代人們對于理解和應對改造人類生活的認識能力。世界是交流進步的人類也是，人工智能代替人作業已經成為發展的趨勢。因此，自動化技術是我國工業，農業，國防和生命科學信息技術工業現代化的重要組成條件和重要歷史標志。推進現代化建設是最重要的技術。隨著信息科技的快速發展，自動化精密技術也在不斷的推陳出新，電子信息精密技術的快速發展也是一日千里，這些由于現代化信息技術的快速發展不斷的的促進我國現代化的工業，農業的快速發展，使我們的我國現代化農業建設也有可能能夠得到快速的的發展，在我國現代化農業建設中它也是起著重要的指導作用[1]。1.2PLC的概述PLC指的是一種電子系統，它可以用于數字化和應用操作系統處理器。在小型化和可編程的數字文件存儲器應用方面發揮重要作用。應用程序的存儲，執行各種控制或運算（邏輯、算術等），內部自動化、計數等都是可以通過它實現的功能。除此之外它還可以通過數字來模擬輸入輸出信號，從而實現對機械或生產過程的控制；"易于與整個工業控制系統連接，易于擴展功能"是可編程控制器及其相關外圍設備在設計中應遵循的原則[2]。模塊式和箱體式是按結構進行的一種分類。箱體式PLC可進行箱體的擴展，從而實現更多點的控制，但電源的使用效率不高。模塊式PLC是進行細分模塊，模塊的內容單一，但功能性強且種類多，有利于進行相應模塊的擴展，達到更高的使用效益。1.3機械手簡介機械手是智能代替人工的一個產物，主要驅動、執行、控制部分共同組成。執行操作系統中，機械手臂能抓住或轉動釋放各種產品，實現各種機械操作系統的定向運動，由機械手臂，手腕和手部組成。驅動控制系統主要有液壓，電動，氣動和動力機械四種形式。機械液壓，電動，氣動，機械手屬于按機械驅動操作方式劃分;特殊電動機械手和特殊通用電動機械手兩種則是根據驅動應用領域范圍不同;點對線位置運動控制和連續軌跡運動控制兩種機械手的區別，則是根據軌跡運動控制軌跡位置的控制驅動方式的不同來進行細分。2翻漿機械手及其控制裝置2.1翻漿機械手的結構2.1.1翻轉裝置的結構通過對本次機器設備將處的工作環境進行充分的了解和分析，綜合所有的因素考慮，設計一個PLC控制翻轉機能夠滿足自動控制翻轉，且具有實用性價格低廉，結構簡單操作方便的功能。翻轉機構的結構大概如圖2-1主視圖。圖2-1主視圖2.1.2翻轉裝置動力選擇通過對翻轉機適用的幾種驅動方式的比較，本次設計要實現自動控制翻轉性價比高、結構簡單的要求同時考慮到陶瓷工廠的工作環境，故選用氣壓驅動方式為動力源[2]。圖2-2翻轉機驅動方式的比較2.1.3機械手方案的選擇1)直角三軸坐標移動結構系統是一種新型機器人移動系統，可以在XYZ3D坐標系中的任意點到達并遵循可控制的軌跡。有一個自由空間運動，每個空間運動自由之間的每個空間運動角度為一個直角。自動控制所有機械動作根據應用程序運行且之后可自動重復進行編程;它通常由自動控制管理系統，驅動控制系統，機械系統，操作控制工具等主要部分組成。靈活，多功能，可以同時通過應用工具手動操作的不同方式實現不同的應用功能。且產品具有良好高可靠性，高傳動速度和高測量精度。能夠有效代替企業人力資源適應惡劣的企業工作生活環境，可以長久的時間堅持工作，易于操作和維護。2)圓柱坐標型空間尺寸小，運動范圍大，結構簡單，剛性好。3)橢圓球(極)是球坐標型型它具有兩個球體轉動時的關節和一個球體移動時的關節，構成一個球缺橢圓形狀的球體工作運動范圍，內部空間尺寸較小，工作運動范圍大，但是內部結構緊湊復雜。4)運動關節型電機具有5?6軸的最大高度運動自由度，幾乎可以適用于任何運動軌跡或機械工作時的角度;并且可以自動完成機械工作的完全高度自動化，而不是許多不完全適合任何人類自動完成的復雜工作，對復雜機械工作的健康有害;并且可以大大提高整個生產線的效率，錯誤率和控制率，自由進行編程;但是由于價格高，成本高。圖2-3機械手的幾種基本結構形式通過對比綜合考慮，認為圓柱坐標型易于維護，可以完成升降、伸縮等動作的性能符合要求且性價比高，故本次機械手翻轉機設計選用圓柱坐標型。2.1.4翻轉氣缸的選擇目前市面上關于翻轉氣缸的種類還是比較多的，日常生活中比較常用的還是齒輪齒條式、螺旋活塞桿式及葉片式。本次設計選擇幾款比較經典的180°翻轉氣缸，結合實際使用情況和性價比考慮上，經過對比幾種翻轉氣缸圖2-4至圖2-6，最終選擇圖2-4所示的HRQ系列。圖2-4HRQ系列擺動回轉旋轉氣缸HRQ1A圖2-5QGK系列齒輪齒條擺動氣缸QGK63X180-S圖2-6新款葉片式旋轉氣缸CRB2BW20-180S2.2翻漿機械手設計本次設計的機械手即：機械手爪張合；機械手腕部回轉、旋轉以及臂部伸縮、升降。為5自由度。2.2.1夾取機械手的典型結構1）楔形杠桿夾鉗：利用楔形和杠桿實現夾持器的松開和打開，從而抓緊工件。2)溜槽式式夾具：當活塞向前快速移動時，溜槽夾具推動后的夾具可以穿過活塞銷釘以使其合并，從而起到產生夾緊力的作用和增大夾緊力。當電動活塞向后快速移動時，松開活塞夾具。3)連桿爪：在傳動活塞，連桿和傳動杠桿的配合作用下，該連桿爪可以使爪內部產生橫向夾緊(松弛)橫向運動。由于該車杠桿的增強受力運動作用，該車的爪子有可能不會產生很大的夾緊的應力。通常與其他彈簧部件結合一起使用。4)自動活塞齒輪放松活塞鏈列齒條自動放松夾持器：該活塞齒條自動夾持器將自動活塞鏈輪齒條自動放松推過活塞齒輪驅動活塞，齒條轉動可以直接帶動齒輪活塞鏈條齒輪快速自動旋轉，從而用戶可以直接導致活塞齒條通過夾持器自動放松夾緊并快速自動釋放活塞齒條進行動作。5）平行桿爪：平行四邊形機構，可以在沒有導軌的情況下保持平行運動，并且爪的摩擦力比帶有導軌的平行移動爪的摩擦小得多。由于本次設計應用于陶瓷生產工業化，工件模具通常是圓柱體，需要較大的夾緊力，故本次設計采用滑槽式手爪結構。2.2.2夾取機械手的手部設計1）手爪設計分析根據工廠內模具的形狀重量考慮，本次機械手的結構設計如圖2-7圖2-7手部的結構和受力分析圖對機械手進行受力分析，3對2有向上的拉力F，經過o點對1產生反作用力F1和F2。當=0，=0，當=0，hF=所以當不變時，隨角增大而增大，同時角的大小的決定拉桿的行程和手部的結構。所以本次設計中取值=~。2）手指對陶瓷模具的夾緊力（2-1）安全系數的取值范圍1.2-2，本次設計選用1.5；考慮到慣性力的作用，工況系數，取1.02；方位系數取0.5，設模具重30kg，取a=50mm,b=100mm，<<，將數據帶入公式2-1得夾緊力=306N驅動力公式=918N取機械效率，=1020N確定液壓缸得尺寸（2-2）圖2-8液壓缸的內徑尺寸圖2-9液壓缸工作壓力帶入數據計算D=0.041，根據圖2-8選擇液壓缸的內徑為D=50mm，活塞桿直徑d=0.5D=25mm，為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm，手指長80mm，它的最小夾持半徑取=30mm，最大夾持半徑=8080機械手的夾持半徑從30~80mm。2.2.3彈簧的設計本次設計中彈簧的作用就是控制手爪的松緊，屬于常開式的夾緊裝置，故選用圓柱螺旋彈簧如圖2-10。彈簧在壓力油作用下壓縮，從而松開手指。圖2-10圓柱螺旋彈簧彈簧鋼主要有碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼以及鉻釩鋼幾種較為常用[11]。其中硅錳彈簧鋼的力學性能良好，也可在高溫情況下使用，故本次選用硅錳彈簧鋼，許用切應力，旋繞比C=8。則根據安裝的需求取D=42mm，則計算彈簧絲直徑（2-3）代入數據得到d=7mm，計算彈簧圈的有效圈數： （2-4）代入數據運算得n=2.86，取整n=3，彈簧的總圈數圈，，，。本章小結：本章主要完成了對機械手結構、翻轉裝置及動力的選擇，確定機械的方案，以及翻轉氣缸的對比選擇，機械手的手部設計。３翻轉機構控制系統的設計翻轉機械手的工作流程：電機啟動從起始位置開始，下行至模具所在位置，通過機械手夾緊模具，帶動模具上行到指定高度，隨后機械手將模具正轉180度，定時30s，再右行至指定位置，機械手松開模具，左行遠離模具，機械手反轉180度，復位。3.1PLC的原理簡單的說PLC就是一種可以控制數字式運算在各種場合中的使用中發揮主要的作用的電子系統。主人設置的程序指令通過存儲器，利用這些指令來完成對邏輯運算、延時定時、順序操作、計數及其他算術運算等。各類機電結構的一體化控制可以通過數字模擬輸入/輸出方式來進行。PLC還因其具有程序可變、可靠、抗干擾能力強、功能性好，性價比高、體積小，能耗較低等優點，特別重要的就是易學、簡單易操作、價格便宜等優勢，使得PLC產品具有非常廣闊的市場應用前景。3.2PLC基本結構CPU模塊、輸出/輸入模塊以及編程軟件是一起組成PLC缺一不可的基本結構[3]。通過利用PLC對機械手的狀態進行判定，從而達到對機械手自動化運行進行控制的目的，同時為機械手自動化控制提供強有力的支持[4]。我們通常通過考慮一個機械手的全部動作的周期來確定所需的PLC的控制系統，伺服系統在設計時就比較麻煩點，需要從輸入和輸出(I/O)點，存儲容量和控制功能的選擇等多個方面考慮。比如在選擇PLC的型號方面，又或者是觸摸屏的幾種模式，以及分配I/O的地址和自動編寫PLC控制程序，這樣就可以經常使用電氣系統來實現對一個機械手的控制。該控制系統可以通過單片機或PLC來控制電磁換向閥與氣缸等，從而達到實現各種動作的目的。如果我們使用了單片機來控制一個電磁閥，而因驅動的電流較大且該工作電壓上的電磁閥電壓遠大于單片機電壓，為安全和實現控制這就要設計一個控制電路在電源接口中，同時設計好相應的防護如干擾和可靠等。用PLC來控制一個電磁閥，我們可以忽略這些問題[5.6]。在今天PLC的控制技術發展欣欣向榮，這就意味著在不久的將來先進的控制算法嵌入PLC傳統控制系統將會是PLC的發展趨勢。在本設計之前，關于模糊控制和預測控制算法的嵌入課題已經有人做過相關的研究，先進控制算法在PLC中逐漸發展成新的趨勢[7]。在工業機械手方面應用PLC已經不足為奇了，這些都為研究PLC在控制方面的條件提供很多參考工作條件[8]，可以讓控制器之間的信息可以相互交流。3.3PLC的設計3.3.1PLC的硬件設計為了實現機械手自動控制翻轉的功能，本次自動控制翻漿機采用PLC在伺服電機中的應用作為控制系統[10]。伺服電機負責能量轉換的工作，不僅轉換效率高，其結構還簡單，是伺服系統的核心。同時伺服電機在自動控制系統中也占據重要地位，作為執行環節的伺服電機，可以接收信息并調整和優化機器的運行所以也叫執行電機。如今PLC的廠商遍布全世界，據了解有兩百多家。提到PLC人們就會想到西門子、三菱、歐姆龍等等這些應用最多的。不同廠家的出品的PLC所需要的指令也是不同的，他們有特定的編程軟件和特定的編程語言。根據本次設計的目的，PLC選擇西門子公司S7-200系列中的CPU226。PLC輸入輸出接線圖圖3-1PLC輸入輸出接線圖I/O串口配置綜合考慮設計所需的自動控制系統要求進行I/O口的分配和PLC的資源分配，具體情況如表3-1I/O分配表，表3-2資源分配表。表3-1I/O分配表數字量輸入分配表數字量輸出分配表名稱PLC地址外部編號名稱PLC地址外部編號啟動I0.0SB1水平脈沖Q0.0PUL1停止I0.1SB2垂直脈沖Q0.1PUL2急停I0.2SB3水平方向Q0.2DIR1自動手動I0.3SA1垂直方向Q0.3DIR2回原點I0.4SB4正轉Q0.4KA1水平原點I0.5SQ1反轉Q0.5KA2垂直原點I0.6SQ2夾緊Q0.6KA3右行到位I0.7SQ3自動運行指示燈Q0.7HL1下降到位I1.0SQ4故障指示燈Q1.0HL2旋轉原位I1.1SQ5原點指示燈Q1.1HL3旋轉到位I1.2SQ6水平手動前行I1.3SB5水平手動返回I1.4SB6垂直手動前行I1.5SB7垂直手動返回I1.6SB8旋轉手動正轉I1.7SB9旋轉手動反轉I2.0SB10夾緊手動I2.1SB11松開手動I2.2SB12水平伺服故障I2.3ERR1垂直伺服故障I2.4ERR2旋轉故障I2.5FR1表3-2資源分配表初始位置步驟M0.0下行步驟M0.1夾緊步驟M0.2上行步驟M0.3正轉步驟M0.4定時步驟M0.5右行步驟M0.6松開模具步驟M0.7左行步驟M1.0反轉步驟M1.1復位步驟M1.2水平完成M2.0垂直完成M2.1水平發脈沖條件M3.0垂直脈沖條件M3.1等待定時T37預設180S夾緊定時T38松開模具定時T39水平發送脈沖數VD0預設20000垂直發送脈沖數VD8預設10000設定L距離VD100設定沒mm脈沖數VD104設定H距離VD108設定垂直每mm發脈沖數VD112手動水平參數移動距離VD120手動垂直移動距離VD128發送脈沖浮點數VD200自動手動移動距離VD300自動手動垂直移動距離VD304水平速度設定VW4垂直速度設定VW12手動水平速度VW124手動垂直速度VW132水平速度VW144預設1000垂直速度VW152預設1000主電路圖以及控制電路圖結合設計需要，設計的圖3-2主電路圖及圖3-3控制電路圖圖3-2主電路圖3-3控制電路圖3.2.2PLC的軟件設計為了保證各個元器件與寄存器空間的利用率，在PLC的軟件設計方面，通常采用經驗設計法或順序控制法。經驗設計法顧名思義就是根據經驗來進行設計，對設計者本身的要求較高。相比之下順序控制法更簡單好操作，對設計者本身的要求不那么高。所以本次翻轉機的PLC設計決定使用順序控制法，順序功能圖如圖3-4所示。圖3-4翻轉機械手控制順序功能圖以圖3-4所示的翻轉機械手控制順序功能圖為方向設計程序。本次自動控制程序設計主要分為主程序、參數設定、水平發脈沖、水平停止、垂直發脈沖、垂直停止、水平垂直發送脈沖數計算、動作步驟、INT-0、INT-1這幾個塊。具體程序見附錄一。本章小結：主要完成機械手控制翻轉的控制系統設計。主要是關于硬件還有程序的設計。內容涵蓋電路、外部接線以及順序功能圖、I/O口配置等等。4機械手傳感器的選擇4.1機械手上傳感器的選擇傳感器實際上就是一種能夠根據某一個規律來感測所要檢測得的數據和信息，把所要測量得到的數據直接轉化為無線電信號或者其他必要形式的數據進行輸出和檢測的設備。既同時又可以充分地滿足對信息的傳輸，處理以及數據存儲等功能，也可以滿足顯示，記錄和控制的要求。根據被測量檢測的具體特性，我們一般可將測量傳感器大致可以劃分三類為各種物理學測量溫度傳感器，化學學測量溫度傳感器和各種生物質測量傳感器等，其中屬于物理學測量級的傳感器也大致可細分為各種種類機械測量傳感器，熱測量傳感器，電傳感器，磁通量傳感器和各種光學運動傳感器[9]。霍爾效應傳感器實際上就是在力和洛倫茲力的相互影響下，經過磁場中半導體片的電流通過偏移產生電位差，因此也稱磁場效應傳感器。電位差的變化同時也引起磁場的實際運動強度改變。磁場強弱與電壓高低成正比關系，同高同低。這種電壓通常很小，最大也志達到幾毫伏，要把霍爾電壓范圍放大得達到足夠多，可以借鑒集成電路在這方面的經驗，即通過信號放大器將電壓信號放大。為了將霍爾IC用作傳感器，必須改變磁感應強度。為保證正常工作霍爾效應傳感器通常需要外部連接的電源，因此能夠檢測到低速運行。本次在機械手上的傳感器采用霍爾傳感器用來檢測機械手是否到達任務中指定位置a點和b點。4.2平臺上的傳感器選擇壓力測量傳感器主要可以分為采用傳統的微型壓力測量傳感器和半導體式微型壓力測量傳感器的這兩類，是目前國內使用最多的一種壓力測量傳感器。傳統的內部壓力變形傳感器主要原理是在壓力設備的內部機械傳動結構設計基礎上，通過對內部彈性元件的壓力變形運動進行壓力指示作用來精確控制內部壓力，但因為它的機械結構簡單尺寸大，重量相對較輕，而且又無法向壓力設備內部提供大的動力和能量輸出。隨著工業現代化的腳步，半導體空氣科學檢測技術在不斷地進步，半導體式空氣壓力溫度傳感器也就應運而生了。它的主要技術特點之一是它的結構體積小，重量輕，精度高及對于各種溫度控制反應特性優良。結合本次設計的目的采用傳統壓力傳感器來檢測指定位置a點和b點的平臺上是否存在著模具。５結束語本文完成自動控制翻漿機的控制系統設計。設計較為稚嫩，主要通過PLC的程序設計，簡單的實現機器代替人工進行陶瓷模具翻轉的功能，達到自動控制的目的。設計的靈感來自大三做過的機電一體化設計，通過查閱資料了解翻轉機的設計，也找到翻轉機在其他領域的應用，如近幾年的自動控制垃圾翻轉車，這些都對本次設計有很大的幫助。機械手的出現設計大大改變一些機械設備繁重的形象，在工業領域不斷的蓬勃發展更迭。本次設計完成的翻漿機械手優點是可以單獨使用也可以作用在流水線上，同時降低生產成本，極大的方便了工人操作。本次設計的機械手其實也是模具轉移的一種，只不過是基于陶瓷生產做出的創新。課題源于生活，生活中確實遇到過需要機械來代替這種工作，考慮從陶瓷工人受教育水平不高出發，故程序部分采用簡單的自動控制編程。本次設計雖然達到預期效果，但編程設計較簡單，無法滿足更高級的操作。對于上述問題目前國內開始趨向