PLC技術(shù)與工程應(yīng)用 機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、河南機電高等?？茖W(xué)校 課程設(shè)計報告書 課程名稱： PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用 課題名稱： 機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 系部名稱： 自動控制系 專業(yè)班級： 計控 102 姓 名： 崔建彪 學(xué) 號： 101413233 2012 年 06 月 20 日 目 錄 目 錄 .I 1、 引言 .1 2、系統(tǒng)總體方案設(shè)計 .2 2.1 機械手系統(tǒng)硬件配置及組成原理 .2 2.2 有關(guān)機械手的 I/O 系統(tǒng)變量定義及分配表 .6 3、 控制系統(tǒng)設(shè)計 .7 3.1 控制程序總流程圖 .7 3.2 控制程序設(shè)計思路 .8 3.3 創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容 .9 4、上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 .9 5、 程序調(diào)試 .11 5.1 調(diào)試設(shè)備

2、.11 5.2 遇到的問題與解決方法 .11 6、心得體會 .12 附錄 1 參考文獻 .13 附錄 2 程序清單 .14 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 1 1、 引言 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn) 代化的進一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn) 流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境， 如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán) 境不利于人工進行操作。 機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、 機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計

3、算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域， 是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 ，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物， 并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。機械手是提高生產(chǎn)過程 自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、 高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近 幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重 視。 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手； 按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點 位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手通常用作機床或其他機器的附

4、加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上 裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操 作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常 稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改 善熱、累等勞動條件。 機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機 械手。 隨著人類的發(fā)展、文明的進步，工業(yè)正不斷發(fā)展著，需要人們完成的工作量 也不斷增大（尤其是那種重復(fù)性大的工作，像傳運貨物） ，涉及到危險性的工作 也日趨增多，這就迫使人們研究開發(fā)一種新裝置，能模仿人手和臂的某些動作功 能，用以按固定程序抓取、搬運物

5、件或操作工具的自動操作的一種裝置，而機械 手正是這樣一種裝置：它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能 在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕 工和原子能等部門。 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 2 - 2、系統(tǒng)總體方案設(shè)計 2.1 機械手系統(tǒng)硬件配置及組成原理 輸入、輸出驅(qū)動單元 該設(shè)備四自由度動作由四臺直流電動機驅(qū)動，每臺電動機可進行正反轉(zhuǎn)運行。 左右擺動由齒輪組嚙合實現(xiàn)減速傳動；伸出與退回、上下移動由直流減速電機驅(qū) 動絲杠-螺母結(jié)構(gòu)完成；機械手指的夾緊與張開由直流減速電機驅(qū)動連桿結(jié)構(gòu)實 現(xiàn)。該設(shè)備共有 8 個動作，由控制器輸出信號驅(qū)動。 每個

6、自由度運行極限位置設(shè)置了兩個行程開關(guān)，用于判斷當前動作是否到位。 該設(shè)備共有 8 個行程開關(guān)作為控制器的輸入信號。 機械手實驗設(shè)備如圖 1 所示。該設(shè)備可以實現(xiàn)手臂的左右擺動、伸出與退回、 上下移動、機械手指的夾緊與張開等四自由度動作。 圖 1. 機械手實驗設(shè)備 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 3 - 輸入/輸出接口電路介紹 機械手實驗設(shè)備既是所謂控制對象，對于一般工業(yè)控制，其控制核心使用可 編程控制器(PLC)。設(shè)計輸入輸出接口電路 (如圖 2 所示) 的目的是為解決機械 手設(shè)備輸出驅(qū)動單元、輸入檢測單元與 PLC 之間的信號接口問題。圖中上層電路 板是驅(qū)動電路板，下層電路板左側(cè)是輸入接

7、口電路板，右側(cè)是輸出接口電路板。 圖 2. 輸入輸出接口電路板 輸入/輸出接口電路板 輸入接口電路板原理圖如圖 3 所示，其功能是將設(shè)備上行程開關(guān)的開關(guān)狀態(tài) 轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電平信號(邏輯 1：24V DC ；邏輯 0：0V DC)。板上設(shè)有光電隔離 電路，將內(nèi)外電源隔離，以保護設(shè)備安全。 圖 3. 輸入接口電路板電氣原理圖 本設(shè)備 8 個輸入信號，對應(yīng)輸入接口電路板的 8 根輸入信號線。 各信號線對應(yīng)的行程開關(guān)如表 1 所示。 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 4 - 表 1. 輸入信號線與行程開關(guān)對應(yīng)關(guān)系表 輸入信號線序號 (自左到右) 對應(yīng)行程開關(guān) 備 注 1 左轉(zhuǎn)到位 2 右轉(zhuǎn)到位 3

8、退回到位 4 伸出到位 5 上移到位 6 下移到位 7 手指張開到位 8 手指夾緊到位 輸出接口(如圖 4 所示)由兩塊電路板構(gòu)成：驅(qū)動電路板和輸出接口電路板。 它們的功能是將 PLC 輸出的控制信號用于驅(qū)動繼電器動作，從而控制電動機正向 或反向運行。輸出接口電路板上也設(shè)有光電隔離電路，可將內(nèi)外電源隔離。 左圖為驅(qū)動電路板電氣原理圖，繼電器 A 吸合、B 釋放，對應(yīng)的電機正轉(zhuǎn)； 繼電器 A 釋放、B 吸合，對應(yīng)的電機反轉(zhuǎn)；繼電器 A、B 同時釋放，電機停止運行； 不允許二者都吸合。右圖為輸出接口電路板電氣原理圖，當 PLC 輸出的某路控制 信號有效時，對應(yīng)的輸出信號有效，從而可以使得對應(yīng)的繼電

9、器吸合。 圖 4. 輸出接 口電 路電氣 原理 圖 (左圖為驅(qū)動電路板，右圖為輸出接口電路板) 本設(shè)備有 8 個輸出控制信號，對應(yīng)輸出接口電路板的 8 根輸出信號線。各輸 出信號線對應(yīng)的電動機動作關(guān)系如表 2 所示。 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 5 - 表 2. 輸出信號線與電動機動作對應(yīng)關(guān)系表 輸出信號線序號 （自左到右） 對應(yīng)電動機 備注 1 擺動電機左轉(zhuǎn) 2 擺動電機右轉(zhuǎn) 3 水平電機伸出 4 水平電機退回 5 垂直電機上移 6 垂直電機下移 7 手指電機張開 8 手指電機夾緊 系統(tǒng)組成圖 圖 5、機械手電氣控制系統(tǒng)總組成圖 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 6 2.2 有關(guān)機械手

10、的 I/O 系統(tǒng)變量定義及分配表 1 、機械手 I/O 變量分配 表 3 機械手的 I/O 系統(tǒng)變量分配表 名稱 輸入點編號 說明 左限位 I0.0 左轉(zhuǎn)到位開關(guān) 右限位 I0.1 右轉(zhuǎn)到位開關(guān) 退回 I0.2 退回到位開關(guān) 伸出 I0.3 伸出到位開關(guān) 上行 I0.4 上行到位開關(guān) 下行 I0.5 下行到位開關(guān) 張開 I0.6 張開到位開關(guān) 抓緊 I0.7 手指抓緊到位 名稱 輸出點編號 說明 電機左轉(zhuǎn) Q0.0 電機左轉(zhuǎn) 電機右轉(zhuǎn) Q0.1 電機右轉(zhuǎn) 電機伸出 Q0.2 電機伸出 電機退回 Q0.3 電機退回 電機上移 Q0.4 電機上移 電機下移 Q0.5 電機下移 手指電機張開 Q0.

11、6 手指電機張開 手指電機抓緊 Q0.7 手指電機抓緊 故障燈 Q1.0 故障燈 2 、機械手控制系統(tǒng)接線 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 7 - 圖 6、機械手控制系統(tǒng)的接線圖 3、 控制系統(tǒng)設(shè)計 3.1 控制程序總流程圖 按下啟動按鈕 機械臂復(fù)位 機械手伸出 伸出到位 ？ 否 機械臂下行 是 手爪閉合夾緊到位 ？ 夾緊工件 否 機械手上升 是 上升到位 ？ 否 機械手臂左轉(zhuǎn) 或右轉(zhuǎn) 是 左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)到 位 ？ 機械臂下行 是 下降到位 ？ 否 手爪松開工件 是 工件松開到位 ？ 機械臂上行 上行到位 ？ 是 否 否 機械臂退回 是 退回到位 ？ 否 機械臂左行或右行 左行或右行到位 ？

12、是 否 停止 是 機械手停在初始位置 機械手伸出 機械手下行 夾緊工件 機械手上升 機械手左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn) 機械手下行 松開工件 機械手上行 機械手退回 機械手左行或右行 停止 啟動 壓伸出限位 壓下降限位 壓上升限位 壓左行或右行限位 壓下行限位 壓上行限位 壓左行或右行限位 圖 7、機械手程序總流程圖 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 8 - 機械手程序的簡要說明： 1 、 在單步模式下按下啟動按鈕(若機械手處于初始位置，則開始運行；否則， 按下復(fù)位鍵，使機械手復(fù)位) 伸出 下行 手指夾緊 上行 左轉(zhuǎn) 下行 手指張開 上行 退回 左行 停止 2 、 在連續(xù)模式下按下啟動按鈕，上述動作依次發(fā)生，

13、但回到初始位置之后， 繼續(xù)下一個工件的傳輸過程。連續(xù)模式下，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作 結(jié)束后，停止運行。 3.2 控制程序設(shè)計思路 該課程設(shè)計中的實驗程序采用功能圖其具體的步驟和編寫思路如下： PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 9 - 圖 8、機械手的順序功能圖 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 10 順序功能圖簡要說明： （1） 由于單步/連續(xù)運行的原因，使用了分支選擇電路，使機械臂按照不同的操 作方法進行物料的抓取與放置。 （2） 機械臂在上、下、左、右行走的控制中使用了 S-作為狀態(tài)條件。 （3） S7-200PLC 的順控指令不支持直接輸出故用了 SM0.0 常 ON 繼電器作

14、為線 圈通的條件來解決這一缺陷。 （4） 程序中 M0.0 是一個選擇邏輯它相當于一個開關(guān)，控制系統(tǒng)是單步操作還 是循環(huán)操作。 3.3 創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容 1 、編制四個驅(qū)動電機的保護程序。要求自動檢測電機是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。若 電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)立即停止系統(tǒng)工作，并點亮故障報警燈；故障排除后，按 下復(fù)位按鈕，故障報警燈熄滅； 2 、連續(xù)運行模式下，統(tǒng)計傳輸工件的個數(shù)，存儲于 PLC 的 V 型數(shù)據(jù)區(qū)，以備 組態(tài)監(jiān)控使用，也可用狀態(tài)表監(jiān)視其狀態(tài)變化。 4、上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 本實驗所采用上位監(jiān)控系統(tǒng)是基于計算機的上 STEP 7Micro WIN 軟件，而進 行對程序和設(shè)備的系統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控，主要的過程

15、如下： 1. 熟悉 STEP 7Micro WIN 軟件的編程環(huán)境、編程方法和用 STEP 7Micro WIN 軟 件編寫上位機監(jiān)控系統(tǒng)的程序。 2. 根據(jù)課目設(shè)計要求，編寫程序。 3. 對系統(tǒng)進行調(diào)試和 I/O 地址的分配、標釋。 4. 運行機械手設(shè)備，打開上位機上的監(jiān)控系統(tǒng)，觀察課目設(shè)計程序，并監(jiān)控機 械手設(shè)備是否正常情況下工作。 5. 對設(shè)備工作中的不足進行修改，重新進行觀察 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 11 - 本軟件對程序?qū)嵤┝吮O(jiān)控，監(jiān)控部分剪影如圖 9 所示： 圖 9、程序的上位機監(jiān)控圖 另外本上位機監(jiān)控系統(tǒng)還對數(shù)據(jù)的變化進行了全程監(jiān)控，監(jiān)控圖表剪影如圖 10 所示： 圖

16、 10、據(jù)變化的監(jiān)控系統(tǒng)圖 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 12 - 5、 程序調(diào)試 5.1 調(diào)試設(shè)備 首先在電腦的 STEP-7-Micro /WIN 編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中， 然后點擊運行并對其指出的錯誤進行修改，修改完最終運行無誤后將其下載到可 編程控制儀器中；其次按照設(shè)計的要求接好線，確定無誤后按下啟動按鈕。啟動 后發(fā)現(xiàn)程序并不能按照實驗要求的步驟進行運行，甚至沒有可運行的跡象，這樣 起初設(shè)計的單步程序和連續(xù)運行程序就失敗了，也就不符合設(shè)計中的要求動作依 次有序進行操作的要求，所以務(wù)必要對其進行修正。這種情況下我采取了以下方 案： 方案一：在沒有確定設(shè)備是否存在問題的情

17、況下，首先我們對設(shè)備進行了檢 測，發(fā)現(xiàn)不存在任何問題，在這種情況下我選擇了再一次用先前的步驟來完成整 個過程以確定初次的接線過程是否有誤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和以前的運行結(jié)果一樣。這樣 方案一就以失敗而告終。 方案二：經(jīng)過老師的指點我才明白是最初的程序均是單獨的互不連接的，未 經(jīng)子程序進行調(diào)用，因此就更不用提程序能連續(xù)運行了。于是我這次選擇了利用 順序功能圖進行編程，摒棄了之前的程序，經(jīng)過對程序的一改再改之后，又一次 對程序進行了調(diào)試并下載到可編程控制器中進行模擬檢測，結(jié)果仍然取得了不盡 如人意的結(jié)果。于是就再去請教指導(dǎo)老師，經(jīng)過一番指導(dǎo)終于小有成果，可以使 機械手進行預(yù)定步驟的動作的演示，所以此方案成功

18、了。 5.2 遇到的問題與解決方法 1、問題：“怎樣使機械手的工作狀態(tài)清晰而簡單呈現(xiàn)出來？” 法案：“采用功能圖進行程序的編寫與調(diào)試。 ” 2、問題：“如何解決機械手的動作單步運行？” 法案：“采用上升沿脈沖觸發(fā)并使用計數(shù)器、比較指令， 以撥動開關(guān)產(chǎn)生上升沿脈沖觸發(fā)數(shù)目來判定機械手那步動作的執(zhí)行。 ” 3、問題：“如何解決對工件數(shù)目的計數(shù)？ 法案：“進行標志位設(shè)置，使用傳送指令、加數(shù)指令、上沿觸發(fā)指令，以循 環(huán)動作的最后一步限位開關(guān)閉合作為觸發(fā)進行加數(shù)，把所得加數(shù)和送給 VB0. PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 13 - 6、心得體會 機械臂的 PLC 控制課程設(shè)計是自動化課程當中一個重要

19、環(huán)節(jié)通過了 2 周的課 程設(shè)計使我對課程設(shè)計過程有進一步了解，對自動化產(chǎn)品的有關(guān)的控制知識有了 深刻的認識。 此次設(shè)計是在張士磊老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師為設(shè)計課題的研究提出 了許多指導(dǎo)性的意見，為課程設(shè)計的撰寫、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。 張士磊老師的嚴謹治學(xué)、不斷探索的科研作風(fēng)，敏銳深邃的學(xué)術(shù)洞察力，孜孜不 倦的敬業(yè)精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文結(jié)束之際，特向 我敬愛的老師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！ 通過此次設(shè)計，一方面讓我認識到自己的不足，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯誤之處； 另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強對復(fù)雜問題的解決 能力，摸索出一套解決綜

20、合問題的方法，為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅實的基 礎(chǔ)。再一方面也加強了我和老師的交流，認識到知識的淵博度。 因為理論知識學(xué)的不牢固，在設(shè)計遇到了不少問題，如：遺忘以前學(xué)過的專 業(yè)基礎(chǔ)知識。通過理論與實際的結(jié)合，進一步提高觀察、分析和解決問題的實際 工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的高素質(zhì)的復(fù)合 型人才。運用學(xué)習(xí)成果，把理論運用于實際，使理論得以提升，形成創(chuàng)新思想。 通過此次設(shè)計過程，鞏固了專業(yè)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用機械設(shè)計課程及其 他課程的理論知識和應(yīng)用生產(chǎn)實際知識解決工程實際問題的能力，在設(shè)計的過程 中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，為今后的學(xué)習(xí)和工作過程打下基礎(chǔ)。 經(jīng)

21、過這次的努力，使我順利的完成了此次課程設(shè)計。這份課程設(shè)計既是對這 學(xué)期所學(xué)知識的總結(jié)，又是自己知識的積累，也大大加深了對可編程控制器技術(shù) 的了解。 課程設(shè)計中既動腦又動手，是一個理論與實際結(jié)合的過程。僅僅有理論是不 夠的，更重要的是實際的，是我們所設(shè)計的實物，具有設(shè)計合理，經(jīng)濟實用的優(yōu) 點。這就需要我們設(shè)計者考慮問題是要仔細、周密，不能有絲毫的大意。對設(shè)計 方案的優(yōu)越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實際。再次向教育指 導(dǎo)我的老師及同學(xué)表示誠摯的感謝！ 鑒于本人所學(xué)知識有限，經(jīng)驗不足，又是初次研究這種復(fù)雜的設(shè)計，在此過 程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請老師給予批評和指正。 PLC

22、技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 14 - 附錄 1 參考文獻 1 王永華.現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù)（第二版）. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2008. 2 西門子公司. SIMATIC S7-200 可編程控制器系統(tǒng)手冊.2004.6 3 姚永剛。電機與控制技術(shù).北京：中國鐵道出版社.2010 4 朱獻清 鄭靜.電氣制圖.北京：機械工業(yè)出版社 .2012 5 王永華.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用教程.北京：機械工業(yè)出版社， 2006 6 西門子公司.MICROMASTER 用戶手冊。2004 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 15 - 附錄 2 程序清單 PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 16 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 17 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 18 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 19 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 20 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 21 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 22 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 23 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 24 - PLC 技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計 - 25 -