机械手臂课设说明书

1、课程设计说明书目录1引言12 PLC的简介22.1 PLC的产生22.2 PLC的定义和特点22.2.1 PLC的定义22.2.2 PLC的特点32.3可编程控制器的主要性能指标32.4 PLC系统的组成42.4.1 PLC的硬件结构42.4.2 PLC的软件42.5 PLC的应用领域43方案设计63.1 主程序设计63.2 公用程序设计73.3 自动程序设计83.4 手动程序设计83.5 自动回原点程序设计94心得体会11参考文献12附录113附录2161引言机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地

2、应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一1。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他

3、控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。2 PLC的简介2.1 PLC的产生 1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K 。核心思想：用程序代替硬接线，输入/输出电平可与

4、外部装置直接相联，结构易于扩展 ，这是PLC的雏形。 1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功 。2.2 PLC的定义和特点2.2.1 PLC的定义美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑

5、控制器，简称PLC，后来随着计算机计术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般仍把PLC作为可编程控制器的简称。2.2.2 PLC的特点可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强 用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。(2) 编程简单，易于掌握 PLC采用梯形图方

6、式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。（3）功能完善，灵活方便 随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。（4）体积小、质量轻、功耗低 由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构经凑、功耗低。2.3可编程控制器的主要性能指标 可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。（1）输入/输出点数(I/O) I/O点数是指可编程控制器

7、外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。（2）存储容量 存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。（3）扫描速度 一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。（4）功能扩展能力 可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。（5）指令系统 指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。2.4 PLC系统的组成PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结

8、构上与微型计算机控制系统相似，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。2.4.1 PLC的硬件结构一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成：（1） 中央处理器(CPU) 与计算机一样，是PLC的核心部件。（2） 存储器 PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。（3） 输入/输出（I/O）接口电路。（4） 电源。（5） 扩展单元。（6） 外部设备。2.4.2 PLC的软件 PLC的软件是指PLC所使用的各种程序的集合。它由系统程序（系统软件）和用户程序（用户软件）组成。（1）系统程序 系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。（2）用户程序 用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言

9、（如梯形图）编制的应用程序。2.5 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 1、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和

10、数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3、运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系

11、统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5、数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6、通信及联网

12、PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3方案设计3.1 主程序设计主程序是整个程序的开始，系统读取的时候一定从主程序开始，至于之后需执行哪个子程序，都在主程序中体现。SM0.0的常开触点一直闭合，链接公用程序，公用程序是无条件执行的；在手动控制方式中，I2.0为ON时，其常开触点闭合，执行“手动”子程序；在回原点控制方式中，I2.1为ON时，其常开触点闭合，执行“回原点”子程序；在单步、单周期和连续控制方式中，I2.2

13、、I2.3、I2.4并联，其中任何一个为ON时，执行“自动”子程序。主程序下图：图1 主程序3.2 公用程序设计公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理。左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点串联接通时，“原点条件”M0.5变为ON，机械手处于原点状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或自动回原点状态时，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备。若M0.5为OFF状态，M0.0被复位，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。

14、当系统处于手动工作方式和回原点方式时，必须将单步、单周期以及连续工作方式程序中，除初始步以外的各步对应的存储器位（M2.0M2.7）复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动部的异常情况，引起错误的动作。如果不是回原点方式，I2.1的常闭触点闭合，代表回原点中的各步M1.0M1.5复位。在非连续方式，I2.4的常闭触点闭合，表示连续工作状态的标志M0.7复位。公共程序如下：图2 公共程序3.3 自动程序设计自动程序（包括单步、单周期和连续）采用起保停电路控制。单周期、连续和单步工作方式主要用“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6

15、来区分，M0.0表示初始步，M2.0M2.7分别表示下降、夹紧、上升、右行、下降，松开、上升、左行标志。当系统处于单步工作状态时，I2.2常闭触点断开，只有在每按下一次启动按钮I2.6，M0.6才能得电一个扫描周期，程序执行一步，以此来实现单步执行，此时转换不允许。当系统处于连续工作状态时，M0.6始终得电，按下启动按钮I2.6后同时未按停止按钮I2.7之前，“连续”标志M0.7始终得电，系统首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7始终得电，其常闭触点断开，使得程序执行完一个周期后不在进入初始步M0.0，而是直接进入M2.0，开始了下一个周期的执行，以

16、此来实现连续执行。当系统处于单周期工作状态时，M0.7不得电，M0.6得电，按下启动按钮I2.6后系统也是首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7不得电，其常闭触点闭合，当程序执行完一个周期后，返回初始步M0.0，此时程序再要执行必须重新按下启动按钮I2.6，以此来实现单周期执行。3.4 手动程序设计在手动程序中，为了保证系统安全运行，设置了上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，防止功能相反的两个输出同时为ON；限位开关I1.2的常开触点闭合使得输出Q0.1置位得电，表示工件已夹紧；当左限位开关或右限位开关的常开触点闭合同时限位开关I0.7常开触点闭合

17、时，输出Q0.1复位失电，表示工件已松开；I0.1I0.4的常闭触点，限制机械手移动的范围；上限位开关I0.2的常开触点与控制左右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞；只允许机械手在最左边或最右边时上升、下降和松开工件。3.5 自动回原点程序设计自动回原点程序用起保停电路设计。在此工作方式下，I2.1为ON，按下启动按钮I2.6后，机械手可能处于三种情况下，应分别处理。Q0.1为0状态，即机械手处于松开状态，应直接返回原点应进入上升步M1.4或左行步M1.5；若Q0.1为1状态同时机械手在最右边此时说明应执行下降步M1.2

18、,；若Q0.1为1状态同时机械手不在最右边，应将工件先送到B点，再返回原点，进入步M1.0。返回原点后，原点条件满足，公用程序中的原点条件标志M0.5为ON，此时I2.1为ON，M0.0在公用程序中置位，为进入自动工作方式作好准备。因此可以认为自动程序中的初始步M0.0是步M1.5的后续步。如下图：图3返回原点梯形图4心得体会本课设在老师严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着他的心血和汗水，在这一周期间，也始终感受着同学之间的团结和无私的关怀，我受益匪浅。在此表示深深的感谢。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。是我了解到