《可编程控制器》课程设计-机械手臂搬运加工流程控制.doc

设 计 任 务 书可编程控制器课程设计全套设计加扣 3012250582设 计 题 目： 机械手臂搬运加工流程控制 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向 ）年级： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院信息2017年 2 月 25日可编程控制器课程设计任务书（一） 设计题目机械手臂搬运加工流程控制设计（二） 情况简介随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现机械手的上升、下降；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1-SQ6)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、右移、下降、放松；其操作方式包括：回原位、手动模拟限位开关；设计目的：满足生产中的各种操作要求。 （三） 设计要求1如图所示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。2假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。3当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成的数次。图1-1 机械手臂原理图（四） 设计步骤. 查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。. 确定I/O点数，选择PLC 的型号，并根据需要进行硬件系统配置。. 绘制外部I/O接线图及相关的电气原理图。. 编程。. 调试。. 编写设计说明书。（五） 设计说明书要求1. 完整的设计任务书。2. 确定I/O点数，选择PLC 的型号，完成系统组态或硬件配置。3. 正确合理地进行编程元件的地址分配。4. 画出输入/输出接线图及相关电气原理图。5. 设计梯形图控制程序。6. 编制系统的操作说明。7. 编制系统的调试说明及注意事项。8. 设计体会（可选）.9. 参考文献.（六） 列出设计参考资料目录设计时间 2017 年 2 月 20 日至 2017 年 3 月 5 日（2周）指导教师 设 计 说 明 书可编程控制器课程设计设 计 题 目： 机械手臂搬运加工流程控制 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业 （方向）年级： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学信息与机电工程系2017年 2月 25日目录1 引言11.1背景11.2设计内容及目的12 系统总体方案设计22.1 系统硬件配置及组成原理22.1.1系统硬件配置22.1.2 PLC系统的结构组成32.1.3机械手臂搬运加工流程控制组成原理42.2 系统变量定义及分配表42.3 系统接线图设计53控制系统程序设计63.1 控制程序流程图设计63.2 控制系统的设计思路及设计程序63.3 创新设计内容74、控制系统的上位机设计84.1 人机界面选择84.2 人机界面设计84.2.1通讯连接84.2.2变量设置94.2.3画面组态95、系统调试及结果分析115.1 PLC程序调试及解决的问题115.2 PLC与上位机联调125.3 结果分析12结束语131 引言1.1背景 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现机械手的上升、下降；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1-SQ6)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、右移、下降、放松；其操作方式包括：回原位、手动模拟限位开关；设计目的：满足生产中的各种操作要求。关键词：搬运机械手，可编程控制器（PLC）1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：机械手臂搬运加工流程控制。根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行机械手臂搬运加工流程运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要内容包括：1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动、停止功能；3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 程序结构与控制功能自行创新设计；5. 进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。2 系统总体方案设计2.1 系统硬件配置及组成原理2.1.1系统硬件配置本设计中采用的机械手，水平（X）轴、垂直（Y）轴采用步进电机控制，底盘的旋转采用直流电机控制，抓取物体的电磁阀采用气动形式。步进电机的控制，由对应的步进电机驱动器电路完成。完成本设计需要的实验设备有：1）机械手模型 2）计算机 3）导线 4）气泵 5）晶体管输出型可编程控制器机械手的控制面板分以下几个模块：1.步进电机驱动及步进电机驱动器电流设定为0.63A，细分设定为8细分，将24V 电源接入驱动器，此时驱动器的电源指示灯应点亮；将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起来；PUL端是脉冲输入端；DIR是方向控制输入端。2.直流电机本设计用的气夹电机和底座电机均是 24V直流电机，PLC控制两个直流继电器的吸合来控制电机的正转和反转。3.旋转编码盘在本设计模型的底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个 VP-P为24V的方波信号，可以提供给PLC的高速计数器，用于机械手的定位控制。4.接近开关在本设计模型中底座和气夹的限位通过4个电感式接近开关来完成。接近开关与触头接近时接近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。5.行程开关在本设计模型中两个滚珠丝杆的限位通过4个滚轴式行程开关来完成。当行程开关压下时，常开触点闭合，给PLC一个控制信号。2.1.2 PLC系统的结构组成1、主机部分主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部论断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。 2、输入/输出（I/O）接口输入接口接受输入设备的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。3、电源 图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。 4、编程器 编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或者监示PLC的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PL与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。 5、输入/输出扩展单元 I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。 6、外部设备接口 此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。2.1.3机械手臂搬运加工流程控制组成原理 工作台1工作台2输送带A工作机械手臂输送带B图2-1机械手臂搬运加工流程控制组成原理2.2 系统变量定义及分配表根据不同控制要求，可以定义不同的变量名来代替外界发来的开关信号，并且合理的分配对应的变量，从而针对性的进行开关信号的转变，使程序的可读性增强，使程序在扩展方面更加方便。在我的设计方案中，I/O分配如表2-1、表2-2所示。表2-1 输入信号的定义及地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号 传送带A限位开关限位开关SB2I0.1工作台1限位开关SB3I0.2工作台2限位开关SB4I0.3传送带B限位开关SB5I0.4上限位开关SB6I0.5下限位开关SB7I0.6启动或停止常用按钮SB1I0.0表2-2 输出信号的定义及地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输出信号上升状态指示灯KM1Q0.2下降状态KM2Q0.1左移状态KM3Q0.3右移状态KM4Q0.4传送带A完成状态KM5Q0.5工作台1完成状态KM6Q0.6工作台2完成状态KM7Q0.7传送带B完成状态KM8Q1.0夹紧、放松状态KM9Q0.0次数显示接触器KM10VW2002.3 系统接线图设计接线图，是根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电气动作原理。主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理。 根据系统变量定义及分配表可以看出，要实现控制目的要利用PLC中的7个输入继电器和10个输出继电器，所以本系统可以选用PLC型号为西门子S7200(CPU224XP)，这种机型的I/O点数分别为14/10；而输入部分的电压可以采用DC24V的直流电，输出部分的电压则必须采用AC220V的交流电，并且热继电器的辅助常闭触点要接在主线上，这样才能达到保护的目的。此机械手臂搬运加工流程控制的接线图可如图2-3所示。图2-3 自动双层停车场控制系统接线图 3控制系统程序设计3.1 控制程序流程图设计图3-1程序流程图3.2 控制系统的设计思路及设计程序设计思路：我将机械手臂搬运加工流程控制的功能简单化为几个步骤：下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，共设置了启动I0.0和限位开关I0.1-I0.6七个开关，而为了使手臂运动能够实现自动化，我增加了复位指令，具体程序如附录所示。逻辑思路：因为总共有6个限位，所以我设置了6个限位开关，分别是I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5和I0.6。手臂动作开始后，按照下降一夹住一上升一往右一下降一释放一上升流程表示一次动作，加以限位开关A/1/2点让动作循环，当触发限位开关B点时，自动返回A点待命。A点限位：首次开始动作下降一夹住一上升一往右（触发1点限位I0.2）一下降一释放一上升，1点指示灯Q0.6亮1号限位：下降一夹住一上升一往右（触发2点限位I0.3）一下降一释放一上升，2点指示灯Q0.7亮2号限位：下降一夹住一上升一往右（触发B点限位I0.4）一下降一释放一上升，B点指示灯Q1.0亮B点限位：左移，触发A点限位I0.1，A点指示灯Q0.5亮，开始循环。具体的逻辑程序见附录。3.3 创新设计内容在我的程序中，主要的创新点是一个利用指示灯状态显示说明当前动作完成状态，当手臂动作完成下降一夹住一上升一往右一下降一释放一上升 这几步表示为一次手臂动作，并判断当时手臂所在位置，再根据限位开关进而表示出手臂动作已完成。当触发B点限位开关时，说明一次工作已结束，需要返回自动化进行下一次的工作。当然，我还运用了复位指令，从而使程序能够循环使用。4、控制系统的上位机设计4.1 人机界面选择对于人机界面，我选择用组态王6.53软件来制作。 4.2 人机界面设计 4.2.1通讯连接在系统的设备栏里，点击COM1，接着点击出现的新建设备，西门子S7-200系列PPI，然后选择串口号、设置地址指南等，如下图（图4-1）所示。图4-1 通讯连接相关图图4-2 通讯连接相关图4.2.2变量设置表4-1 上位机输入、输出变量4.2.3画面组态我的人机界面为一个界面：（如下图）。图4-2 操作界面图图4-2为机械手臂模拟操作的主界面图，我设置了8个按钮、9个指示灯、一个数码管显示。当用户要操作时，首先需要按下复位按钮，接着按下启动按钮，这时系统就会开始运行，手臂自动开始下降，界面上的下降指示灯也会相应地亮起，手臂开始下降一夹住一上升一往右一下降一释放一上升的动作，并在相应时刻亮起相应的指示灯表示手臂动作状态，完成一次工序，数码管显示数会相应加一。按下停止按钮，系统就会初始化等待下次开启。当用户需要操作时，只需按下启动按钮再次启动即可。5、系统调试及结果分析5.1 PLC程序调试及解决的问题根据设计思路利用V4.0 STEP7 Micro WIN SP9软件编写程序，经过编译确认无误后，导出程序，接着打开S7-200仿真软件，选择CPU型号为224XP，在工具栏程序中装载之前导出程序块和数据块，点击监视器和运行按钮，就可进行仿真模拟。（也可以在实体机上进行通信-下载-运行，利用监控与状态表来判断正误。）PLC程序的调试是我们写程序中相当关键的一步，调试不仅可以帮我们检查程序的正误及如何改进，而且还能提前让我们了解我们所编程序的最终效果。利用S7-200仿真软件调试机械手臂动作如下图（图5-1）。图5-1机械手臂控制的仿真图图5-2 机械手臂控制的仿真图5.2 PLC与上位机联调上位机我是采用组态王6.53来编写，人机界面中根据下位机PLC的程序新建一些I/O变量，这些变量需要添加进PLC程序中，才能进行PLC与上位机的联调。（添加后的程序见附录）PLC与上位机的联调：首先在实验室将线路接通后，在V4.0 STEP7 Micro WIN SP9中打开程序，进行程序的通信，并下载程序，随后运行程序，关闭V4.0 STEP7 软件。紧接着，打开组态王软件，选择自己的工程，点击VIEW，运行自己创建的人机界面。联调时，第一，点击