机械手动作模拟控制系统设计(叶磊)

1、皖西学院课程设计报告书 皖 西 学 院课程设计报告书系 别：机械与电子工程学院专 业：电气工程及自动化学 生 姓 名：叶磊学 号：2012011139课程设计题目：机械手动作模拟控制系统设计起 迄 日 期: 12 月 29日 1月 5日课程设计地点:机电学院实验室指 导 教 师:吴学娟下达任务书日期: 2014年 12月29日目 录一、 摘要4二、 PLC控制系统程序设计5三、 设计内容及要求51. 设计要求5四、 机械手动作模拟设计51. 机械原理5五、 硬件设计61. 硬件选型，根据PLC的输入、出点数，控制功能选择适用型号的PLC62. PLC容量选择83. I/O模块的选择94. I/

2、O接口的配置105. 电源模块的选择116. 设备及元器件的选择127. I/O接口的配置128. 主控电路图139. 机械手动作PLC的硬件连接图13六、 机械手动作的模拟实验131. 模拟实验面板图132. 输入/输出接线列表143. 控制过程144. 工作过程分析15七、 运行调试171. 实验步骤17八、 控制流程图1818九、 实验结果图19十、 实验心得20十一、 参考文献21十二、 附录22261、 摘要 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。机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand 能模仿人手和臂的某些

3、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，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。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、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（摆动）、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。机械手的种类，按驱

4、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。就个人而言，希望通过这次毕业设计对未来将从事的工作进行一次适应训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础。由于能力所限，设

5、计尚有许多不足之处，恳请老师给予指教。 关键词：PLC控制 机械手 三菱 FX2N 2、 PLC控制系统程序设计 在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。 PLC程序设计的主要步骤是： 对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。 设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 根据梯形图编制语句表程序清单。 用编程器将程序键入到

6、PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。 待控制台(柜)及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。 编制技术文件。 交付使用。3、 设计内容及要求1. 设计要求1）熟悉课题工作原理2）设计方案论证，系统建立，电器原理控制设计。3）元器件的选择，梯形图的设计（控制分析）。4）完成设计图纸，完成设计任务书。5）设计评测。 4、 机械手动作模拟设计1. 机械原理机械手将一工件由A处传送到B处，中间需经过上升/下降和左移/右移灯动作，这些动作通过双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直

7、保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，机械手仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电执行放松动作。设备装有上、下限位和左右限位开关，它的工作过程共有八个动作 X001：下限开关Y000：下降电磁阀Y004：左移电磁阀X002：上限开关Y001：夹紧电磁阀Y005：原位指示灯X003：右限开关Y002：上升电磁阀Y003：右移电磁阀X004：左限开关5、 硬件设计1. 硬件选型，根据PLC的输入、出点数，控制功能选择适用型号的PLC1) 3.1.1 PLC机型选择

8、机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。（1） 结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。（2） 功能强、弱适当 对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，三菱FX2N系列机。（3）机型统一 PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。但由于整体式结

9、构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。 （4）是否在线编程 PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程的PLC

10、，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。 （5）PLC的环境适应性 由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：温度 工作温度055，最高为60储存温度 -4085湿度 相对湿度5%95%(无凝结霜)振动和冲击 满足国际电工委员会标准电源 交流200V，允许变化范围为-15%15%，频率为4753Hz 瞬间停电保持l0ms环境 周围空气不能混有可燃性

11、、爆炸性和腐蚀性气体 对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。根据邮件分捡机的工艺流程和控制系统。考虑综合情况和外部因素，我决定采用三菱FX2N系列PLC。 FX2N配置灵活，除主机单元外，还可以扩展I/0模块，A/D模块，D/A模块和其它特殊功能模块。本系统设计需I/0 48点(输入24点，输出24点)。主机采用小型化基本单元FX2N -48MR。 FX2N指令功能丰富，有各种指令性107条，且指令执行速度快。 FX2N PLC可用内部辅助继电器M，肤态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器(C235等)能接受脉

12、冲编码器的脉冲。 FX2N PLC的体积比FX2 PLC小50%以上，但控制功能和性能相同。 FX2N PLC的编程，可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSE MEDOC进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便。2. PLC容量选择 PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC

13、，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%15%考虑备用量。3. I/O模块的选择 PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。 通过I/

14、O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及

15、模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。 （1）确定I/O点数I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。 （2）开关量I/O标准的I/O接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。典型的交流I/O信号为24240V（AC），直流I/O信号为524V（DC）。 （3）选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V

16、电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。 （4）选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：一是输出方式选择。输出模块有三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开

17、关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高反电压，必须采取抑制措施。二是输出电流的选择。模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。三是允许同时接通的输出点数。在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。4. I/O接口的配置可编程控制器系统I/O点数估算。系统I/O分配见下表输入信号输出信号名称输入点编号名称输出点编号启动按钮SDX00

18、0机械手下降指示灯YV1Y000下限位按钮SQ1X001机械手夹紧指示灯YV2Y001上限位按钮SQ2X002机械手上升指示灯YV3Y002右限位按钮SQ3X003机械手右移指示灯YV4Y003左限位按钮SQ4X004机械手左移指示灯YV5Y004（I/O接口图）5. 电源模块的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。以下步骤为选择电源的一般规则： （1）确定电源的输入电压； （2）将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值； （3）I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：

19、 框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值； 当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。 （4）如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理； 列出将来要扩展的I/O模块所需的背板电流； 将所有扩展的I/O模块的总背板电流值与步骤。 （5）在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。 （6）根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。 还要力争最佳的性价比。具体应考随着PLC技术的发展，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日益完善。PLC的种类繁多，其结构、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，当然

20、使用场合也有所不同。因此选择合理的PLC对提高PLC控制系统技术经济指标意义重大。因此在选择机型时不仅要满足其功能要求及维护等方面的虑： （1）合理的结构形式 （2）安装方式的选择 （3）相当的功能要求 （4）系统可靠性的要求6. 设备及元器件的选择名称型号数量PLC三菱Fx2N-48MR1电源直流电源241电机直流电机3熔断器KT-12/201热继电器JR16-20/133启动开关LA25-101行程开关JL*K1-112接触器CZ-40/205原位指示灯T-1(3/4)17. I/O接口的配置可编程控制器系统I/O点数估算。系统I/O分配见下表输入信号输出信号名称输入点编号名称输出点编号启

21、动按钮SDX000机械手下降指示灯YV1Y000下限位按钮SQ1X001机械手夹紧指示灯YV2Y001上限位按钮SQ2X002机械手上升指示灯YV3Y002右限位按钮SQ3X003机械手右移指示灯YV4Y003左限位按钮SQ4X004机械手左移指示灯YV5Y0048. 主控电路图9. 机械手动作PLC的硬件连接图 6、 机械手动作的模拟实验1. 模拟实验面板图2. 输入/输出接线列表输入接线SDSQ1SQ2SQ3SQ4STX0X1X2X3X4X5输出接线YV1YV2YV3YV4YV5HLY0Y1Y2Y3Y4Y53. 控制过程 当启动按钮SD没有闭合时，原位指示灯HL常亮。限位开关SQ2,SQ4

22、置于开启状态。闭合SD，原位指示灯HL熄灭。SQ2,SQ4断开，YV1得电，机械手下降；断开SQ1,机械手夹紧，延时一段时间后，机械手上升；断开SQ2,机械手右移，先断开SQ1，然后闭合SQ3，机械手向下运动；断开SQ2，同时打开SQ1，机械手松开工件，延时一段时间后，机械手上升；闭合SQ2，机械手左移；闭合SQ4,机械手复位，原位指示灯常亮。4. 工作过程分析 开始时，机械手处于原位，X002和X004开关处于接通状态（即“1”），通过 M100线圈使M100接点接通（置“1”）；这样，Y005线圈通电，原位指示灯点亮；按下启动按钮，使X000置“1”，产生移位信号，与M100一起接通移位寄

23、存器的输入端，从而使M101置“1”，使Y000通电，执行下降动作；同时，上限开关X002断开，M100回复到“0”，原位指示灯熄灭；当下降到位时，下限开关X001接通，与M101一起产生移位脉冲信号，使M101置“0”，M102置“1”，从而使线圈Y000断电，停止下降动作；同时使M200置“1”，并使线圈T0通电，使夹紧电磁阀Y001动作，同时启动定时器T0，延时2秒；2秒后，T0常开接点接通，与M102一起产生移位脉冲，使M102置“0”，M103置“1”，从而使上升电磁阀Y002接通，执行上升动作。由于M200是由SET命令接通的，具有自保持功能，因此Y001夹紧电磁阀在上升过程中一直

24、保持夹紧动作。上升到位后，上限电磁阀X002重新接通，与M103一起产生移位信号，使M103置“0”，M104置“1”，从而使Y002电磁阀断开，不在执行上升动作；同时Y003电磁阀通电，执行右移动作。移到右边位置后，右限位开关X003动作，X003常开触点闭合，与M104一起产生移位脉冲，使M104置“0”，M105置“1”，使Y003线圈断电，停止右移；同时，使Y000线圈再次通电，执行下降动作（在右侧下降）。 等到下降到预定位置时，下限开关X001重新接通，与M105一起产生移位脉冲，使M105置“0“，M106置”1“，从而使Y000线圈断电，停止下降动作，并通过RST命令使机械手执行

25、松开动作，同时给定时器T1通电，延时2秒。2秒后，T1常开触点闭合，与M106一起产生移位脉冲，使M106置“0“，M107置”1“，从而使Y002线圈通电，而下限开关X001断开，再次执行上升动作；上升到使上限开关X002重新接通时，与M107一起产生脉冲信号，使M107置“0“，M108置”1“，从而使Y002上升线圈断电，停止上升动作；同时Y004线圈通电，执行左移动作。左移到使左限开关X004接通时，M108一起产生移位脉冲，使M108置“0“，M109置”1“，Y004线圈断电，停止左移动作。机械手回到原位。这时，上限开关X002和左限开关X004又处于接通状态，使M100置“1“，

26、完成一个移位动作的周期，并准备好下一个移位周期。7、 运行调试1. 实验步骤 1) 主机模块的COM接主机模块输入端的COM和输出端的COM1、COM2。2) 主机模块的+24、COM分别接在实验单元的+24、COM。 3) 打开主机电源将程序下载到主机中。 4) 启动并运行程序观察实验现象。8、 控制流程图9、 实验结果图将上限位和左限位按钮闭合，原位指示灯HL亮按下启动按钮SD，机械手开始下降，指示灯YV1亮将下限位开关闭合，夹紧指示灯YV2亮闭合上限位按钮，机械手上升，指示灯YV3亮闭合右限位按钮，机械手右移，右移指示灯YV4亮闭合左限位按钮，机械手左移，左移指示灯YV5亮10、 实验心

27、得 可编程控制器课程设计是课程当中一个重要环节，通过了1周的课程设计使我对PLC设计过程有进一步了解，对PLC产品的有关的控制知识有了深刻的认识。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中

28、，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。 因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，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，培养了我综合应用可编程控制器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。 最后，在此要感谢我的指导老师吴学娟对我的悉心指导，感谢老师对我的帮助。在设

29、计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学了不少知识，也经历了不少艰辛，但也得到了巨大的收获。11、 参考文献可编程程序控制与工业自动化系统 陈忠华编著PLC基础及应用 廖常初主编可编程序控制器编程实战与提高 郭纯生编辑CS/CJ系列PLC应用基础及案例 霍罡等编辑电气控制与PLC【M】.北京：机械工业出版社，2011 熊幸明.PLC应用开发使用子程序.北京: 人民邮电出版社，2006 贾德胜.12、 附录1. 梯形图2. 梯形图指令00 LD X002 39 ORB 01 AND X004 40 LD M106 02 ANI M101 41 AND T1 03 ANI M102 42 ORB 04 ANI M103 43 LD M107 05 ANI M104 44 AND X002 06 ANI M105 45 ORB 07 ANI M106 46 LD M108 08 ANI M107 47 AND X004 09