坐标式机械手的控制系统设计课程设计.doc

电气控制与电气控制与 PLCPLC 课程设计课程设计 题题 目目 坐标式机械手的控制系统设计坐标式机械手的控制系统设计 院系名称 院系名称 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气电气 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 2010 指导教师 指导教师 目录 成绩 指导老师签名 日期 1 系统概述及控制要求 1 1 1 系统概述 1 1 1 1 设计目的 1 1 1 2 实现目标 1 1 2 控制要求 2 1 3 注意事项 2 2 方案论证 3 3 硬件设计 4 3 1 主电路 4 3 2I O 分配表 5 3 3 I O 接线图 5 3 4 元器件选型 6 3 4 1 可编程控制器的选择 6 3 4 2 电动机的选择 7 3 4 3 保护环节和主令电器的选择 7 3 4 4 电源的选择 8 3 5 控制面板布局 8 4软件设计 8 4 1 系统原理框图 8 4 2 主流程图 8 4 3 梯形图 10 设计心得 13 参考文献 14 1 1 1 系统概述及控制要求系统概述及控制要求 1 11 1 系统概述系统概述 机械手是最早出现的工业机器人 也是最早出现的现代机器人 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 一种模拟人手操作的自动机械 它可按固定程序抓取 搬运物件或操持工具完 成某些特定操作 应用机械手可以代替人从事单调 重复或繁重的体力劳动 实现 生产的机械化和自动化 代替人在有害环境下的手工操作 改善劳动条件 保证人 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 机械手主要由手部机构 运动机构和控制系统三大部分组成 手部是用来抓持 工件 或工具 的部件 根据被抓持物件的形状 尺寸 重量 材料和作业要求而 有多种结构形式 如夹持型 托持型和吸附型等 运动机构 使手部完成各种转动 移动或复合运动来实现规定的动作 改变被抓持物件的位置和姿势 运动机构一般 由液压 气动 电气装置驱动 1 1 11 1 1 设计目的设计目的 本课题的目的是设计出一套能够控制机械手的运作 对机械手的上下 左右 以及抓取运动进行控制 能够使机械手自动的搬运货物 按照人们的要求完成周期 性的一系列的程序 来实现智能化和自动化 PLC 是现代工业常用的控制器 所以 课题的程序是基于 PLC 编写 通过按钮和限位开关来控制机械手 完成物品的搬运 简单方便 并准确完成操作 能实现简单地自动化具有周期性的工作 1 1 21 1 2 实现目标实现目标 一套程序要有较强的实用性 在实际操作过程中不仅只简单地一味地靠自动控 制系统来 而且需要在特殊情况下可以人工的完成相同的工作 所以 此套程序在 自动控制的基础上添加了人工控制机械手的功能 来适应现代化工业的要求 2 1 21 2 控制要求控制要求 图 1 1 坐标式机械手动作原理图 坐标式机械手动作原理图如图 1 1 所示 其控制要求 将物体从位置 A 搬至位 置 B 1 动作顺序 机械手从原点位置起始下移到 A 处下限位 从 A 处夹紧物体 后上升至上限位 右移至右限位 机械手下降至 B 处下限位 将物体放置在 B 处 后 上升至上限位 左移至左限位 原点 为一个循环 2 上限 A B 下限 左限 右限分别由限位开关控制 机械手设立起动和 停止开关 3 机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时 均应有状态显示 4 机械手的夹紧和放松动作均应有 1s 延时 然后上升 机械手每到达一个 位置均有 0 5s 的停顿延时 然后进行下一个动作 5 若机械手停止时不在原点位置 可通过手动开关分别控制机械手的上升 和左移 使之回到原点 6 要求循环工作 1 小时时 判断机械手是否夹有物体 若没有 则立即自 动停止工作并警铃报警 若夹有物体 则继续工作至物体放置到 B 位后自动停止工 作并警铃报警 AB 原点 右限 左限 上限 A下限 B下限 夹紧放松 3 1 31 3 注意事项注意事项 1 限位 机械手所到达的位置必须按照给出的顺序 并且到达各个位置时必须到位 否则不能进行下一动作 以确保在左工作台取到工件并在右工作台下放下工件 机 械手每到达一个位置均有 0 5s 的停顿延时 然后进行下一个动作 2 夹紧和放松 机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位处进行 且其动作都要到位 为了确 保夹紧和放松的动作可靠性 需对这两个动行作进延时 1s 3 自动报警停止 在机械手工作一小时后 系统能够判断是否夹有物体 若无自动报警并在在原 点停止下来 准备下一工作段 若有放置 B 处后 报警并原点停止 4 自动和手动 机械手既可以靠限位开关盒定时器等自动运行 也可以考手动来完成动作 或 者在自动运行中出错 可以靠手动来调节 两者要形成互补 可以协调完成整套程 序 2 2 方案论证方案论证 随着工业自动化程度的提高 工业现场的很多易燃 易爆等高危 重体力劳 动及动强度大和操作单调频繁场合必将由机器人所代替 这一方面可以减轻工人的 劳动强度 另一方面可以大大提高劳动生产率 例如 目前在我国的许多中小型汽 车生产以及轻工业生产中 往往冲压成型这一工序还需要人工上下料 既费时费力 又影响效率 为此 我们把坐标式机械手作为我们研究的课题 这个工程主要靠电动机 机械机构 主令电气和控制系统来完成 现在工业 常用的控制器有单片机和可编程控制器 简称 PLC PLC 是一种数字运算操作的 电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编程的存储器 用于其内 部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 PLC 具有通用性 强 使用方便 适应面广 可靠性高 抗干扰能力强 编程简单等特点 由硬件系 统和软件系统组成 硬件结构有 CPU 系统存储器和用户存储器 I O 口 电源 4 扩张单元等 此套设备需要在在震动的环境下运行 系统要有较强的抗震能力 抗 干扰能力 PLC 更具这方面的优越性 3 3 硬件设计硬件设计 3 13 1 主电路主电路 图 3 1 坐标式机械手主电路图 图 3 1 为坐标式机械手主电路图 熔断器 FU 保护主电路 当短路或者过载时 5 切断主回路与电源的联系 此电路中有热继电器 FR 重要用于电路的过载保护 以 防止电动机因为过载导致过热而损坏 接触器 KM 具有欠电压保护作用 其中 M1 M2 M3 都为三相异步电动机 当控制程序使得 Y2 为 1 KM2 得电 M1 正传 机械手往下移动 当控制程序使得 Y3 为 1 KM3 得电 M1 反转 机械手往上移 动 当控制程序使得 Y5 为 1 KM5 得电 M2 正传 机械手往右移动 当控制程 序使得 Y6 为 1 KM6 得电 M2 反转 机械手往右移动 3 23 2I OI O 分配表分配表 表 3 2 为坐标是机械手 I O 分配表 表 3 2 对各输入输出点进行了说明 将是 控制程序编写的基础及参考对象 表 3 1 坐标是机械手 I O 分配表 输入 输出电器输入 输出点信号名称功能说明备注 SB1X0启动自动开启自动运行常开 SB2X1自动时停车停止自动运行常闭 SQ1X2上限行程控制上限运行常开 SQ2X3左上限行程控制左上限运行常开 SQ3X4A 下限行程控制 A 下限运行常开 SQ4X5右上限行程控制右上限运行常开 SQ5X6B 下限行程控制 B 下限运行常开 SB3X10启动手动控制手动运行常开 SB4X11手动时停止停止手动运行常闭 SB5X12手动下移控制向下运行常开 SB6X13手动夹紧控制手臂夹紧常开 SB7X14手动放松控制手臂松开常开 SB8X15手动上移控制向下运行常开 SB9X16手动右移控制向右运行常开 SB10X17手动左移控制向左运行常开 SB11X7总停车控制总运行常闭 KV L1Y0夹紧加紧物品 显示通有效 L2Y1放松放松 显示通有效 KM2Y2上升手臂上移通有效 KM3Y3下将手臂下移通有效 KM4Y4报警1 小时报警通有效 KM5Y5从左至右手臂从左至右移通有效 KM6Y6从右只左手臂从右只左移通有效 L3Y7原点提示显示手臂在原点通有效 6 3 33 3 I OI O 接线图接线图 根据 I O 分配表 画出系统的 I O 接线图 如图 3 2 所示 由于要求在各位和 夹紧与放松状态有显示 信号灯与与驱动线圈串联 分别来作为机械手在 A 下限 左上限 上限 右上限 B 下限的状态指示 输出接口中 Y4 接有报警显示灯 Y7 接有原点位置指示灯 图 3 2 I O 接线图 3 43 4 元器件选型元器件选型 3 4 13 4 1 可编程控制器的选择可编程控制器的选择 从控制流程中可以看出 在控制方式选择上需要 2 个启动按钮 分别完成自 动方式 手动方式的启动 2 个停止按钮分别控制自动和手动时停车 还需要 1 个 停止按钮用来处理在任何情况下的停止运行 机械手运动的限位开关有 5 个 上限 位开关 A 下限位开关 左上限位开关 右上位限位开关和 B 下限位开关 手动输 7 入信号共由 6 个按钮组成 下降按钮 上升按钮 夹紧按钮 左移按钮和右移按钮 输出信号有 8 个 分别为夹紧 放松 上升 下降 报警 从左至右移动 从右只 左移和原点提示 所以共有 15 个输入口 8 个输出口 小型的 PLC 比如 FX2n 32MR 具有 32 个 I O 口 最大的小型 PLC 有 256 个 I O 口 所以有三菱 FC2n 32MR 即可 定时装置采用 FX2n 32MR 定时器 本装置需要每小时监测一下 而 FX2n 系列 T0 T199 为普通定时器 一个定时器最多可为 3276 7s 单靠一个定时器不能完成 操作 与两个定时器组合使用 每个定时为 1800S 本程序需要判断机械手是否夹 有物品 我选择一个断电保持寄存器 C100 配合比较传送指令完成操作 3 4 23 4 2 电动机的选择电动机的选择 三相笼型异步电动机具有结构简单 运行可靠 重量轻 坚固耐用 维修方 便 价格便宜等优点 故选用三相笼型异步电动机 本课题需要两台电动机 都是 M2 M3 额定功率为 3KW 电压额定为 380V 按定 电流为 5A 用于机械手的左右上下移动 选用型号为 Y100L2 4 表 3 2 电动机选型 电动机序号型号额定电压 V额定功率 KW M2 M3Y100L2 43804 3 4 33 4 3 保护环节和主令电器的选择保护环节和主令电器的选择 主电路和控制电路必须使用到保护电器 如继电器 熔断器 选用热继电器时应 使其安秒特性位于电动机的过载特性之下 并尽可能接近 此课题选用常用的 JRS1 系列热继电器 M2 和 M3 额定电流为 5A 其热继电器应整定电流为 5A 表 3 3 热继电器选型 热继电器序号型号额定电压 V额定电流 A整定电流 A FR1 FR2JRS1 12 Z380125 此套装置中的电动机长期工作 所以应在 6 倍额定电流下 启动时间不得超过 6s In 来取值 熔断器电流的选择 Ifn In 1 5 2 5 In 所以选择额定电流 为 15A 的熔断器 表 3 4 熔断器选型 熔断器序号型号额定电压 V额定电流 A极限分段能力 A 8 FURT2038015100 主令电器需要 11 个按钮 5 个限位开关 按钮选用 LA25 系列 该系列按钮 采用积木式结构 采用差解释连接 具有任意动合触头 动断触头的优点 直动式 行程开关如果动触头闭合慢 抽头不能瞬时切断电源 使电弧在触头停留时间长 饶怀触头 所以 本课题选用 LX19 系列的滚轮旋转式行程开关 指示灯选用型号为 LKD 22DS 额定电压 220V 保护等级 16 级 3 4 43 4 4 电源的选择电源的选择 三菱小型 PLC 的主机内部一般配有为输入点供电的小容量直流 24 电源 但 该电源不足以带动输出负载 带动需配置另外的电源 PLC 允许在外部电源在额定 电压值的 10 15 范围内波动 所以 此次套装置 PLC 的输入电源选用内 部 DC24 v 电源 输出电源选用普通家用交流电 220V 电源 选用的电动机为现象一 步电动机 所以主回路输入电源为 380V 的工业用电 3 53 5 控制面板布局控制面板布局 图 3 3 控制面板 4 4软件设计软件设计 4 14 1 系统原理框图系统原理框图 启 动 PLC 机械手臂 原点指示 机械手 物品从 A 点运达 B 点 原点指示 返回 9 图 3 3 电气原理框图 4 24 2 主流程图主流程图 10 自动 手动 原点下降 到 A 点停止 夹紧物品 延时上升 左上限停止 右上限停止 B 下限停止 放松物品 延时上升 右上限停左 到达原点 原点下降 到 A 点停止 夹紧物品 左上限停止 右上限停止 B 下限停止 放松物品 右上限停左 到达原点 有无物品 结束 定时 开 始 自动 手动 无 循 环 重复 图 4 1 程序主流程图 开始 自动 手动 11 4 34 3 梯形图梯形图 图 4 2 梯形图 12 图为该系统的梯形图 本程序用到了两个指针位 P0 P1 来完成程序的循环 梯形图中 0 步实现的功能有程序的自动运行的开始 结束 8 步实现的功能有程 序的手动运行的开始 结束 14 步功能 在手动或者自动运行时机械手往下移动 到达下限为 X4 X5 是停止 准备下一步 26 步是定时 0 5S 37 步功能为在自动 定时 0 5S 后或手动 X13 时 在手臂放松情况下机械手夹紧物品 47 步功能为在自 动定时 0 5S 后或手动 X14 时 在手臂夹有物品的情况下机械手放下物品 57 步计 数器加一 待跳转时使用 66 步计数器清零 待重新计数 72 步实现在手动或者 自动运行时机械手往上移动 到达上限为 X2 停止 准备下一步 82 步定时 0 5S 87 步功能为在自动定时 0 5S 后或手动 X16 时 在手臂放松情况下机械手向 右运动 96 步功能为在自动定时 0 5S 后或手动 X17 时 在手臂放松情况下机械手 向左运动 105 步在计时 1 个小时后 通过 C100 来判断是否夹有物品 若有继续 其下面的工作 若没有则停止 111 步是机械手到达原点后重复工作 122 到 132 步计时判断 152 原点显示 157 步结束 上程序中通过 Y0 和 Y1 的限制是的 当在下限位时通过定时器对 Y0 Y1 进行 切换程序不会发生紊乱 按照设定的循环顺序工作 5 5 系统调试系统调试 去 PLC 实验室调试 实践才是检验真理的标准 看似程序编写的挺科学的 但是在调试过程中出现了写问题 首先 对夹紧 Y0 和放松 Y1 指令编写不合理 在编程中只考虑 Y0 和 Y1 动作 但是在机械手在 A 下限和 B 下限后 Y0 和 Y1 就有可能失电 所以改用 SET 和 RST 指令 使他们能够失电保持 但是新的问题又出现 由于 SET 能够实现时代 你保持功能 在原有的编写基础上 不能实现彼此的互锁 改用原来的程序 所以 设置了一个