PLC机械手课程设计

目 录第一章 设计目的及主要内容11. 1设计目的1.2设计内容第二章 系统控制结构的确定52.1 PLC概述2.2PLC的特点32.3机械手的概述52.4机械手的组成52.5机械手的主要参数62.6应用机械手的意义62.7机械手采用PLC控制的优点7第三章 控制系统83.1系统设计的基本步骤83.2 系统工作过程83.3控制要求3.4系统及原理10第四章 电路的设计4.1 操作方式114.2 I/O接线图114.3 PLC梯形图124.4 PLC控制程序13第五章 心得体会参考文献17 第1章 绪论1.1设计目的本课程设计是本门课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。1.2设计内容机械手能把工件从A点移到B点，机械手的结构示意图如图1所示。该机构的上升、下降和左移、右移是由双线圈两位电磁闹推动气缸来实现的。当某一线圈得电，机构便单方向移动，直至线圈断电才停在当前位置。夹紧和放松是由单线圈两位电磁阂驱动气缸来实现的，线圈通电则夹紧，失电则为放松。设备上装有上、下限位和左、有限位开关。机械手工作循环过程示意图如图2所示。从图中可见，机械手工作循环过程主要有8个动作，即为：第2章 系统控制结构的确定2.1 PLC概述PLC 是可编程控制器的简称。PLC 源于继电器控制技术，通过运行存储在其 内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所需要的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行输入输出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息输入输出的物理过程一般不考虑的。而 PLC 则要考虑信息输入 输出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用，特别要考虑怎么适应于工作环境，比如，便于安装，便于维护及抗干扰等问题，输入输出信息变换及可靠的物理实 现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。它的功能要比继电器控制装置多得多，也强得多。根据PLC丰富的指令系统，各种各样的I/O 接口、通信接口，大容量的内存，可靠的自身监控系统，可以知道PLC 的基本功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计数功能；中断处理功能；程序与数据存储功能；联网通信 功能；自检测、自诊断功能。PLC 把这些功能集于一身，是别的电控器所没有的，也是传统的继电器控制电路所无法比拟的。PLC 丰富的功能为它的广泛运用提供 了可能。可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发 起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程 序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来 控制机械设备或生产过程。 2.2 PLC的特点 高可靠性1）所有的I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC 内部电路 之间电气上隔离。 2）各输入端均采用R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。 3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。4）采用性能优良的开关电源。5）对采用的器件进行严格的筛选。 6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采用 有效措施，以防止故障扩大。7）大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统,使可 靠性更进一步提高。 丰富的I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流； 脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按 钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采 用模块化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用模块化设计，由机 架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需 要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的 各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障 指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。2.3机械手的概述机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门 新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现 与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件 的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。2.4机械手的组成机械手的形式是多样的，但是其基本的组成都是相似的。一般机械手由执行机构、传动机构，控制系统和辅助装置组成。（图2.1.1 机械手的组成及相互关系）执行机构执行机构由手、关节、手臂和支柱组成，与人体手臂相似。手为抓取机构，用于抓取工件。关节是连接手与手臂的关键性原件，具有多方位旋转特性。支柱用来支撑手臂，可做活动支柱方便机械手多方位移动。传动机构传动机构用于实现执行机构的动作。常用的有机械传动、液压传动、气压传动，电力传动等形式。控制系统机械手按照制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。简易机械手通常情况下不使用专用的控制系统，只有动作复杂的机械手采用可编程控制器，微型计算机控制进行动作。辅助装置辅助装置主要是连接机械手各部分元件的装置。机械手按用途分类为：专用机械手、通用机械手。按照传动方式分类为：液压式机械手、气动式机械手、机械式机械手和电动机械手。2.5机械手的主要参数传动方式反应速度尺寸和重量负荷能力控制方式操控范围反应速度定位自由度安全性实用性2.6应用机械手的意义随着科技的发展，机械手应用的越来越多。在机械工业中，机械手应用的意义概括如下：提高生产过程自动化程度，增强生产效率。机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更换等自动化过程，从而提高劳动生产率和降低劳动投入，从而降低生产成本。改善劳动条件在车间的劳动环境下，高温、高压、噪音、灰尘等污染会严重影响人的身体健康，人在车间工作不可避免的会接触到危险，而应用机械手可以替代人安全的完成作业，从而改善劳动条件。在一些简单，重复的工作中以机械手代替人进行工作可以避免因疲劳和疏忽造成的事故。减少人力资源，便于节奏生产。机械手的应用增强了自动化生产，会减少人力的使用。机械手可以长时间重复性连续完成工作，这是人工无法实现并完成的。生产线增加使用机械手以减少人力和精准的生产节拍，有利于节奏性的工作生产。综上所述，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。2.7机械手采用PLC控制的优点机械手不止有一种控制系统，一些控制系统或多或少会存在一些缺点，而这些缺点在自动化生产中会造成不可避免的损失。而PLC控制的机械手在工业应用上表现最为突出，我们从几方面论述一下PLC控制机械手的优点。控制方式：电气控制属于硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能非常困难；而PLC控制是软接线，改变控制程序即可实现逻辑的改变或增加功能。工作方式：电气控制是并行工作，而PLC是串行工作，不受制约。控制速度：电气控制速度慢，触电易动；PLC通过半导体控制，速度快，无触点，无抖动。可靠性能：电气控制触点多，会产生磨损和电弧烧伤，接线多，可靠性差；PLC无触点，寿命长，具有自诊功能，执行程序监控，调试和维护方便。第3章 控制系统3.1系统设计的基本步骤机械手系统设计和调试的主要步骤，如下图2.3.1所示：（图3.1 系统设计步骤图）3.2 系统工作过程气动机械手的动作示意图如图1所示，气动机械手的功能是将工件从A处移送到B处。控制要求为：1、气动机械手的升降和左右移行分别由不同的双线圈电磁阀来实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动；2、上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1；右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4；3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；4、机械手的夹钳的松开、夹紧通过延时1.7S实现；5、机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现；（见指导书-一.课题内容）3.3 控制要求（见指导书-控制要求）3.3.1点动控制工作方式3.3.2自动控制工作方式（图3.2.2 机械手抓放运送功能）3.4系统及原理机械手的系统及原理如图所示（图3.3 控制系统原理图）第4章 电路设计4.1.操作方式 设备的操作方式一般可分为手动和自动两大类，手动操作方式主要用于设备的调整，自动操作方式用于设备的自动运行。 手动操作方式-手动操作：用单个按钮接通或断开各自对应的负载。 -回原点：按下回原点按钮，使设备自动回归到原点位置。 自动操作方式-单步运行：每按一次启动按钮，设备前进一个工步。 -单周期运行：在原点位置时，按下启动按钮设备自动运行一个周期后停止原位；途中按下停止按钮，设备停止运行；再按下启动按钮时，设备从断点处继续运行，直到原位停止。 -连续运行：在原点位置按下启动按钮，设备按既定工序连续反复运行。中途按下停止按钮，设备运行到原位停止。4.2 I/O接线图表1 机械臂传送系统输入和输出点分配表名 称代号输入名 称代号输入名 称代号输出启动SB1X0左限位SQ1X8单周期SB13X16停止SB2X1右限位SQ3X9回原点启动SB14X17上升SB3X2上限位SQ2X10电磁阀下降YV1Y0下降SB4X3下限位SQ4X11电磁阀上升YV2Y1左移SB5X4手动SB9X12电磁阀左行YV3Y2右移SB6X5自动SB10X13电磁阀右行YV4Y3放松SB7X6回原点SB11X14电磁阀夹紧YV5Y4夹紧SB8X7单步SB12X15I/O分配及接线图I4.3机械手的操作系统程序 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。其原理是：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。4.4回原位程序回原位程序如图4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。4.5手动单步操作程序如图5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。4.6 自动操作程序自动操作状态转移见图6所示。当机械臂处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。4.7 机械臂传送系统梯形图如图7所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。4.8指令语句表第五章 心得体会 本课题所设计的机械手的操作过程是由电动机和气缸组成执行机构作为驱动，系统采用可编程控制器控制，运用步进顺序控制编程，程序简单且便于调试。 通过PLC 本身通信接口与计算机联网，对现场操作的各项参数进行监测、修改、调整，使系统处于最佳工作状态。利用 PLC 控制机械手相对于其它控制方式，具有很高的可靠性，较好的性价比，较强的可操作性和实用性。就本课题设计的目的，实际应用运行良好，大大方便了工作和生活。通过这次的毕业设计，我学到了很多东西，在做设计的过程中对工作的细心得 到了提高，认识到自己在这方面的不足。并且，对本设计的内容有了更好的了解，比如加深了解了有关可编程控制器的功能，还有机械手的工作原理等等。通过做这个设计，对以前不足的知识进行弥补，在指导老师那里学到了很多宝贵的东西，这些都是对我很有帮助的。参考文献1 李国平编著，基于PLC控制的气动机械手实验装置的研制J，液压与气动，20032 常晓玲编著，电气控制系统与可编程控制器，北京；机械工业出版社，20043 范建东编著，可编程控制器原理及应用，广州；华南理工大学出版社，20034 李乃夫编著，可编程控制器原理、应用，北京；中国轻工业出版社，20035 郝海青编著，串联关节式机械手的控制系统分析与设计，2002 6.PLC应用技术 主编：冯新强 北京邮电大学出版社 北京，2009.415- -