PLC技术与工程应用 机械手电气控制系统设计.doc

河南机电高等专科学校河南机电高等专科学校 课程设计报告书课程设计报告书 课程名称：课程名称： plc 技术与工程应用 课题名称：课题名称： 机械手电气控制系统设计 系部名称：系部名称： 自动控制系 专业班级：专业班级： 计控 102 姓姓 名：名： 崔建彪 学学 号：号： 101413233 2012 年 06 月 20 日 目目 录录 目目 录录i 1、引言引言 .1 2、系统总体方案设计、系统总体方案设计.2 2.1 机械手系统硬件配置及组成原理2 2.2 有关机械手的 i/o 系统变量定义及分配表.6 3、 控制系统设计控制系统设计.7 3.1 控制程序总流程图7 3.2 控制程序设计思路8 3.3 创新设计内容9 4、上位监控系统设计、上位监控系统设计.9 5、 程序调试程序调试11 5.1调试设备.11 5.2遇到的问题与解决方法 .11 6、心得体会、心得体会12 附录附录 1 参考文献参考文献13 附录附录 2 程序清单程序清单14 plc 技术与工程应用课程设计 1 1、引言引言 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现 代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产 流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境， 如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环 境不利于人工进行操作。 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术机械手技术涉及到力学、 机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域， 是一门跨学科综合技术。 ，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物， 并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手是提高生产过程 自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、 高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近 几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重 视。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手； 按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点 位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上 装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操 作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常 称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改 善热、累等劳动条件。 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。 随着人类的发展、文明的进步，工业正不断发展着，需要人们完成的工作量 也不断增大（尤其是那种重复性大的工作，像传运货物） ，涉及到危险性的工作 也日趋增多，这就迫使人们研究开发一种新装置，能模仿人手和臂的某些动作功 能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作的一种装置，而机械 手正是这样一种装置：它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能 在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻 工和原子能等部门。 plc 技术与工程应用课程设计 - 2 - 2、系统总体方案设计、系统总体方案设计 2.1 机械手系统硬件配置及组成原理机械手系统硬件配置及组成原理 输入、输出驱动单元输入、输出驱动单元 该设备四自由度动作由四台直流电动机驱动，每台电动机可进行正反转运行。 左右摆动由齿轮组啮合实现减速传动；伸出与退回、上下移动由直流减速电机驱 动丝杠-螺母结构完成；机械手指的夹紧与张开由直流减速电机驱动连杆结构实 现。该设备共有 8 个动作，由控制器输出信号驱动。 每个自由度运行极限位置设置了两个行程开关，用于判断当前动作是否到位。 该设备共有 8 个行程开关作为控制器的输入信号。 机械手实验设备如图 1 所示。该设备可以实现手臂的左右摆动、伸出与退回、 上下移动、机械手指的夹紧与张开等四自由度动作。 图图 1.1. 机械手实验设备机械手实验设备 plc 技术与工程应用课程设计 - 3 - 输入输入/输出接口电路介绍输出接口电路介绍 机械手实验设备既是所谓控制对象，对于一般工业控制，其控制核心使用可 编程控制器(plc)。设计输入输出接口电路 (如图 2 所示) 的目的是为解决机械 手设备输出驱动单元、输入检测单元与 plc 之间的信号接口问题。图中上层电路 板是驱动电路板，下层电路板左侧是输入接口电路板，右侧是输出接口电路板。 图图 2.2. 输入输出接口电路板输入输出接口电路板 输入输入/输出接口电路板输出接口电路板 输入接口电路板原理图如图 3 所示，其功能是将设备上行程开关的开关状态 转换为统一的电平信号(逻辑 1：24v dc ；逻辑 0：0v dc)。板上设有光电隔离 电路，将内外电源隔离，以保护设备安全。 图图 3. 输入接口电路板电气原理图输入接口电路板电气原理图 本设备 8 个输入信号，对应输入接口电路板的 8 根输入信号线。 各信号线对应的行程开关如表 1 所示。 plc 技术与工程应用课程设计 - 4 - 表表 1.1. 输入信号线与行程开关对应关系表输入信号线与行程开关对应关系表 输入信号线序号输入信号线序号 ( (自左到右自左到右) ) 对应行程开关对应行程开关备备 注注 1左转到位 2右转到位 3退回到位 4伸出到位 5上移到位 6下移到位 7手指张开到位 8手指夹紧到位 输出接口(如图 4 所示)由两块电路板构成：驱动电路板和输出接口电路板。 它们的功能是将 plc 输出的控制信号用于驱动继电器动作，从而控制电动机正向 或反向运行。输出接口电路板上也设有光电隔离电路，可将内外电源隔离。 左图为驱动电路板电气原理图，继电器 a 吸合、b 释放，对应的电机正转； 继电器 a 释放、b 吸合，对应的电机反转；继电器 a、b 同时释放，电机停止运行； 不允许二者都吸合。右图为输出接口电路板电气原理图，当 plc 输出的某路控制 信号有效时，对应的输出信号有效，从而可以使得对应的继电器吸合。 图4. 输出接口电 路电气原理 图 (左图为驱动电路板，右图为输出接口电路板) 本设备有 8 个输出控制信号，对应输出接口电路板的 8 根输出信号线。各输 出信号线对应的电动机动作关系如表 2 所示。 plc 技术与工程应用课程设计 - 5 - 表表 2.2. 输出信号线与电动机动作对应关系表输出信号线与电动机动作对应关系表 输出信号线序号输出信号线序号 （自左到右）（自左到右） 对应电动机对应电动机备注备注 1摆动电机左转 2摆动电机右转 3水平电机伸出 4水平电机退回 5垂直电机上移 6垂直电机下移 7手指电机张开 8手指电机夹紧 系统组成图系统组成图 图图 5、机械手电气控制系统总组成图、机械手电气控制系统总组成图 plc 技术与工程应用课程设计 6 2.2 有关机械手的有关机械手的 i/o 系统变量定义及分配表系统变量定义及分配表 1 、机械手、机械手 i/o 变量分配变量分配 表表 3 3 机械手的机械手的 i/oi/o 系统变量分配表系统变量分配表 名称输入点编号说明 左限位i0.0左转到位开关 右限位i0.1右转到位开关 退回i0.2退回到位开关 伸出i0.3伸出到位开关 上行i0.4上行到位开关 下行i0.5下行到位开关 张开i0.6张开到位开关 抓紧i0.7手指抓紧到位 名称输出点编号说明 电机左转q0.0电机左转 电机右转q0.1电机右转 电机伸出q0.2电机伸出 电机退回q0.3电机退回 电机上移q0.4电机上移 电机下移q0.5电机下移 手指电机张开q0.6手指电机张开 手指电机抓紧q0.7手指电机抓紧 故障灯q1.0故障灯 2 、机械手控制系统接线、机械手控制系统接线 plc 技术与工程应用课程设计 - 7 - 图图 6、机械手控制系统的接线图、机械手控制系统的接线图 3、 控制系统设计控制系统设计 3.1 控制程序总流程图控制程序总流程图 按下启动按钮 机械臂复位 机械手伸出 伸出到位？ 否 机械臂下行 是 手爪闭合夹紧到位？ 夹紧工件 否 机械手上升 是 上升到位？ 否 机械手臂左转 或右转 是 左转或右转到 位？ 机械臂下行 是 下降到位？ 否 手爪松开工件 是 工件松开到位？ 机械臂上行 上行到位？ 是 否 否 机械臂退回 是 退回到位？ 否 机械臂左行或右行 左行或右行到位？ 是 否 停止 是 机械手停在初始位置 机械手伸出 机械手下行 夹紧工件 机械手上升 机械手左转或右转 机械手下行 松开工件 机械手上行 机械手退回 机械手左行或右行 停止 启动 压伸出限位 压下降限位 压上升限位 压左行或右行限位 压下行限位 压上行限位 压左行或右行限位 图图 7、机械手程序总流程图、机械手程序总流程图 plc 技术与工程应用课程设计 - 8 - 机械手程序的简要说明机械手程序的简要说明： 11 、 在单步模式下按下启动按钮(若机械手处于初始位置，则开始运行；否则， 按下复位键，使机械手复位)伸出下行手指夹紧上行左转下行 手指张开上行退回左行停止 22 、 在连续模式下按下启动按钮，上述动作依次发生，但回到初始位置之后， 继续下一个工件的传输过程。连续模式下，按下停止按钮，待本次工件传输工作 结束后，停止运行。 3.2 控制程序设计思路控制程序设计思路 该课程设计中的实验程序采用功能图其具体的步骤和编写思路如下：该课程设计中的实验程序采用功能图其具体的步骤和编写思路如下： plc 技术与工程应用课程设计 - 9 - 图图 8 8、机械手的顺序功能图、机械手的顺序功能图 plc 技术与工程应用课程设计 10 顺序功能图简要说明顺序功能图简要说明： （1） 由于单步/连续运行的原因，使用了分支选择电路，使机械臂按照不同的操 作方法进行物料的抓取与放置。 （2） 机械臂在上、下、左、右行走的控制中使用了 s-作为状态条件。 （3） s7-200plc 的顺控指令不支持直接输出故用了 sm0.0 常 on 继电器作为线 圈通的条件来解决这一缺陷。 （4） 程序中 m0.0 是一个选择逻辑它相当于一个开关，控制系统是单步操作还 是循环操作。 3.3 创新设计内容创新设计内容 11 、编制四个驱动电机的保护程序。要求自动检测电机是否处于堵转状态。若 电机处于堵转状态，应立即停止系统工作，并点亮故障报警灯；故障排除后，按 下复位按钮，故障报警灯熄灭； 22 、连续运行模式下，统计传输工件的个数，存储于 plc 的 v 型数据区，以备 组态监控使用，也可用状态表监视其状态变化。 4、上位监控系统设计、上位监控系统设计 本实验所采用上位监控系统是基于计算机的上 step 7micro win 软件，而进 行对程序和设备的系统内部的监控，主要的过程如下： 1. 熟悉 step 7micro win 软件的编程环境、编程方法和用 step 7micro win 软 件编写上位机监控系统的程序。 2. 根据课目设计要求，编写程序。 3. 对系统进行调试和 i/o 地址的分配、标释。 4. 运行机械手设备，打开上位机上的监控系统，观察课目设计程序，并监控机 械手设备是否正常情况下工作。 5. 对设备工作中的不足进行修改，重新进行观察 plc 技术与工程应用课程设计 - 11 - 本软件对程序实施了监控，监控部分剪影如图本软件对程序实施了监控，监控部分剪影如图 9 所示所示： 图图 9、程序的上位机监控图、程序的上位机监控图 另外本上位机监控系统还对数据的变化进行了全程监控，监控图表剪影如图另外本上位机监控系统还对数据的变化进行了全程监控，监控图表剪影如图 10 所示所示： 图图 10、据变化的监控系统图、据变化的监控系统图 plc 技术与工程应用课程设计 - 12 - 5、 程序调试程序调试 5.1 调试设备调试设备 首先在电脑的 step-7-micro /win 编程软件中将编辑的梯形图写入软件中， 然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可 编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。启动 后发现程序并不能按照实验要求的步骤进行运行，甚至没有可运行的迹象，这样 起初设计的单步程序和连续运行程序就失败了，也就不符合设计中的要求动作依 次有序进行操作的要求，所以务必要对其进行修正。这种情况下我采取了以下方 案： 方案一：在没有确定设备是否存在问题的情况下，首先我们对设备进行了检 测，发现不存在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整 个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现和以前的运行结果一样。这样 方案一就以失败而告终。 方案二：经过老师的指点我才明白是最初的程序均是单独的互不连接的，未 经子程序进行调用，因此就更不用提程序能连续运行了。于是我这次选择了利用 顺序功能图进行编程，摒弃了之前的程序，经过对程序的一改再改之后，又一次 对程序进行了调试并下载到可编程控制器中进行模拟检测，结果仍然取得了不尽 如人意的结果。于是就再去请教指导老师，经过一番指导终于小有成果，可以使 机械手进行预定步骤的动作的演示，所以此方案成功了。 5.2 遇到的问题与解决方法遇到的问题与解决方法 1、问题：“怎样使机械手的工作状态清晰而简单呈现出来？” 法案：“采用功能图进行程序的编写与调试。 ” 2、问题：“如何解决机械手的动作单步运行？” 法案：“采用上升沿脉冲触发并使用计数器、比较指令， 以拨动开关产生上升沿脉冲触发数目来判定机械手那步动作的执行。 ” 3、问题：“如何解决对工件数目的计数？ 法案：“进行标志位设置，使用传送指令、加数指令、上沿触发指令，以循 环动作的最后一步限位开关闭合作为触发进行加数，把所得加数和送给 vb0. plc 技术与工程应用课程设计 - 13 - 6、心得体会、心得体会 机械臂的 plc 控制课程设计是自动化课程当中一个重要环节通过了 2 周的课 程设计使我对课程设计过程有进一步了解，对自动化产品的有关的控制知识有了 深刻的认识。 此次设计是在张士磊老师的悉心指导下完成的。老师为设计课题的研究提出 了许多指导性的意见，为课程设计的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。 张士磊老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不 倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文结束之际，特向 我敬爱的老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！ 通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处； 另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决 能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基 础。再一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。 因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，如：遗忘以前学过的专 业基础知识。通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际 工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合 型人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。 通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用机械设计课程及其 他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程 中还培养出了我们的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基础。 经过这次的努力，使我顺利的完成了此次课程设计。这份课程设计既是对这 学期所学知识的总结，又是自己知识的积累，也大大加深了对可编程控制器技术 的了解。 课程设计中既动脑又动手，是一个理论与实际