气动机械手控制系统设计

1、机电控制课程课程设计说明书课程名称：机电控制PLC 设计设计题目：气动机械手控制系统设计专业：机械设计制造及其自动化班级：姓名：学号：指导教师：设计时间：2010 12 10机械手是工业自动控制领域中经常用到的一种能够自动抓取、操作的装置，多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。由于气动技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传递技术，其工作可靠性高、使用寿命长、 对环境没有污染，所以在机械手的驱动系统中常采用气动技术。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。因此， 对气动机械手的研究具有重要的实际价值

2、。关键词：机械手PLC 自动控制气动技术第一章引言3第二章 PLC 的发展2.1 PLC 的由来和发展32.2 可编程控制器的概念42.3 PLC基本结构和工作原理5第三章气动机械手控制系统设计3.1 I/o 地址分配表73.2 PLC系统选择73.3 PLC 的输入输出设备接线图73.4 系统控制方案流程图93.5 程序设计和梯形图10第四章 总结总结19致谢20参考文献21第一章 引言引言PLC 技术代表了当今电气程序控制的世界先进水平。它与数控技术，工业机器人技术已成为机械工业自动化和CIM 的三大支柱。据预测，在90年代，美、日、德等发达国家的控制屏将完全由PLC 所占据。由于PLC

3、吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速，使它已远远超出单纯取代继电器的应用领域， 远远超出逻辑控制的范畴，在从单机自动化到整条生产线自动化，乃至整个工厂的生产自动化；从FMS、工业机器人到大型分散型控制系统中都担当着重要角色。第二章 PLC 的发展2.1 PLC 的由来和发展1968 年美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)，为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此， 特拟定了十项公开招标的技术要求，即：1) 编程简单方便，可在现场修改程序；2) 硬件维护方便，最好是插件式结构；3) 可靠性要

4、高于继电器控制装置；4) 体积小于继电器控制装置；5) 可将数据直接送入管理计算机；6) 成本上可与继电器柜竞争；7) 输入可以是交流115V；8) 输出为交流115V， 2A 以上，能直接驱动电磁阀；9) 扩展时，原有系统只需做很小的改动；10) 用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。根据招标要求，1969 年美国数字设备公司( DEC) 研制出世界上第一台PLC( PDP 14型 )，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。PLC 问世以来，其发展极为迅速。由最初的1 位机发展为8 位机，现在的大型 PLC 已采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，其

5、技术已经相当成熟。目前，世界上有PLC 生产厂200多家，比较著名的有美国的A-B 公司、通用电气公司，日本的三菱、松下电工、欧姆龙，德国的西门子，法国的施耐德等。生产的 PLC 品种繁多，产品的更新换代也极快，著名的生产公司几乎每12 年即可推出一种新产品。PLC 的结构不断改进，功能日益增强，性能价格比越来越高。展望未来，PLC 在规模和功能上正朝着两个方向发展。一方面，大型PLC 不断向大容量、高速度、多功能的方向发展，能取代工业控制微机对大规模复杂系统进行综合性的自动控制。另一方面，小型PLC 向超小型、简易、廉价方向发展，能真正完全取代最小的继电接触器系统，适应单机、数控机床和工业机

6、器人等领域的控制要求。另外，不断增强PLC 的联网通信功能，便于分散控制与集中控制的实现；大力开发智能I/O 模块，极大地增强PLC的过程控制能力，提高它的适应性和可靠性；不断使PLC 的编程语言与编程工具向标准化和高级化方向发展2.2 可编程控制器概述(1) 可编程控制器是当今工业控制领域占主导地位的一种新型自动控制装置，微电子技术和计算机技术的发展是PLC 出现的技术基础和物质基础，GM10是促使其问世的直接原因。目前，PLC正向着标准化、小型化、大容量、高速度、多功能等方面发展。(2) PLC 专为工业环境而设计，具有抗干扰能力强、可靠性高、通用性好、功能强、 编程简单、使用维护方便等特

7、点，主要应用于开关量控制、模拟量控制、数字控制及通信联网等到领域。(3) PLC 按结构形式分为整体式和模块式两类；按功能和I/O 点数可分为低档机(小型、超小型)、中档机(中型)、高档机(大型、超大型)三类。衡量PLC性能的指标主要有：I/O 总点数、用户程序存储容量、指令总数、扫描速度、内部寄存器配置及特殊功能模块等。(4) PLC常用的编程语言有梯形图、语句表、流程图及高级语言等，其中梯形图、语句表最常用。(5) PLC 主要由CPU、存储器、I/O 模块、电源模块、I/O 扩展模块、外设接口及编程器等部分组成；软件部分包括系统软件和用户软件两大部分。(6) PLC 的工作方式是采用循环

8、扫描工作方式，每一循环包含了自诊断、与编程器等的通信、输入采样、执行用户程序、输出刷新五个阶段。小型PLC使用集中输入、集中输出工作方式，这大大提高了PLC工作的可靠性和抗干扰能力。(7) 扫描周期的大小与扫描速度、用户程序长短、I/O 点数及其刷新速度、 连接外设的多少等因素有关。(8) 继电接触器控制采用硬逻辑“并行”运行的方式，而可编程序控制器2.3 PCL 的基本结构和工作原理2.3.1 PLC 的工作方式PLC 对用户程序的执行采用循环扫描的工作方式。PLC 开始运行时，CPU对用户程序作周期性循环扫描，在无跳转指令或中断的CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结

9、束，并周而复始地重复。在每次扫描过程2.3.2 PLC 的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，这是有别于微型计算机、继电接触器控制的重要特点。微机一般采用等待命令的工作方式。继电接触器控制系统采用硬逻辑“并行”运行的方式。PLC采用循环扫描的工作方式，在工作过程中，如果某个软继电器的线圈接通， 该线圈的所有常开和常闭触点并不一定会立即动作，只有CPU扫描到该接点时才会动作：其常闭触点断开，常开触点闭合。也就是说，PLC在任一时刻只能执行一条指令，是以“串行”方式工作， 这样便避免了继电接触器控制的触点竞争和时序失配问题。2.3.3 PLC 的工作过程PLC整个工作过程包含五个阶段：自诊断、与

10、编程器等进行通信、输入采样、执行用户程序、输出刷新。PLC的工作过程框图与编程器、 计算机等通信读入 现场信号执行 用户程序输出结果输入和输出映像寄存器是在PLC的 RAM工作区中将一特定区域的存储单元作为输入映像寄存器和输出映像寄存器的存储区。输入映像寄存器中存储着对应位输入“继电器”的通 /断状态。高电平“1”为通，低电平“0”为断。此处“继电器”是指由系统软件程序贼予的具有继电器功能的“软继电器”。 每位输入映像寄存器也对应着PLC每个实际输入端的通/ 断状态。输入映像寄存器的内容只能被PLC中的CPU读出，而不能被改写。输出映像寄存器单元存储着对应位输出寄存器的状态。在执行用户程序时，

11、输出映像寄存器既可被PLC的 CPU读出，又可被CPU改写。（ 1）输入映像寄存器的状态取决于各输入端子在上一个刷新期间的状态；（ 2） 程序执行阶段所需的输入、输出状态，由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出；（ 3）输出映像寄存器的内容由程序中输出指令的执行结果决定；（ 4）输出锁存器中的内容由上一次输出刷新时输出映像寄存器的状态决定；（ 5）各输出端子的通断状态由输出锁存器的内容来决定。第三章 气动机械手控制系统设计3.1 I/o 地址分配表输入信号分配信号名称元件名称元件符号地址编码下降停止下限位开关SQ1I0.1上升停止上限为开关SQ2I0.2右行停止右限位开关SQ3I0.3左行停止左

12、限位开关SQ4I0.4上升上升按钮SB4I0.5左行左行按钮SB6I0.6松开松开按钮SB8I0.7下降下降按钮SB3I1.0右行右行按钮SB5I1.1夹紧夹紧按钮SB7I1.2手动操作手动开关I2.0回原点操作回原点开关I2.1单步操作单步开关I2.2单周期操作单周期开关I2.3连续操作连续开关I2.4启动启动按钮SB1I2.6停止停止按钮SB2I2.7输出信号信号名称元件名称元件符号地址编码下降下降电磁阀YV1Q0.0夹松夹松电磁阀YV5Q0.1上升上升电磁阀YV2Q0.2右行右行电磁阀YV3Q0.3左行左行电磁阀YV4Q0.43.2 PLC 系统选择根据 I/O 选分配查阅手册选择S7-

13、200 CPU226基本单元（24入 /16 出） 1 台3.3 PLC 的输入输出设备接线图（见下页 ）FLJ1嘴聊惆撅B粉丹 福赚¥稠* tt MgiIL1HM10.0QM10.10a210.2QQ310.3QM10.42L10.5QQ510£M610.7QOJ11.0QICIIIQUIL?111.3012H.40132MQM11.5015IL68L611.7Q1712.0121612.2NE3LI12.4E5R6 12.7NLf0Tgs90gf_gfgfgg£g7g7»g9f上 0gl2L c夕0士0000T070m_L_£090u卬此6

14、例RFuld 理 理原理： 接通电源是系统启动开始扫描，扫描手动式判断手动按钮的是执行手动操作， 扫描回原点开关，是执行回原点操作，扫描单步开关，是执行单步操作，扫描单周期开关，是检测是否在原点，是执行单周期操作，扫描连续操作，是检测是否在原点，是执行连续操作。除了连续操作以外，其他操作执行完以后自动重新扫描。3.5 程序设计和梯形图3.5.1 系统的硬件结构与工作方式机械手用来将工件从A 点搬运到B 点，输出Q0.1 为 1 时工件被夹紧，为0 时背松开。工作方式选择开关的5 个位置分别对应于5 种工作方式，操作面板左下部的6 个按钮式手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC 发生故障时）

15、能可靠地切断负载电源，设置了交流接触器KM 。 PLC 开始运行时按下“负载电源”按钮，使 KM 线圈得电并自锁，KM 的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。系统设有手动、单周期、连续、单步和回原点五种工作方式。在手动工作方式下，用I0.5 I1.2 对应的 6 个按钮分别独立控制机械手的升、降、左右行和夹紧松开。在单周期的工作方式下，按下启动按钮I2.6 后，从初始步M0.0 开始，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。在单步工作方式下，从初始步开始，按一下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停

16、留在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试。3.5.2 程序的总体结构（见下图）下图是主程序机构图，SM0.0 的常开触点一直闭合，公用程序是无条件执行的。在手动工作方式下，I2.0 为 ON，执行手动子程序。在自动回原点方式下，3.5.3 梯形图(1) 公用程序公用程序见下图用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及处理不同工作方式之间的转换。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 M4.5 的常闭触点的串联电路接通时，原点条件M0.5 变为ON。当机械手处于原点位置状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或者自动回原点状态，初始步对应

17、的M0.0 将被置位，进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。当初始位 M0.0为 OFF时，也就是说初始位不在原点，无论如何按启动按钮都不会执行自动操作。(2) 手动程序为了保证安全运行，在手动程序中设置了一些必要的连锁：设置上升与下降之间, 左行与右行之间的互锁, 以防止功能相反的两个输出同时为ON.有限位开关限制机械手移动的范围。（ 3）自动程序单周期、连续和单步操作这3 种工作方式主要是用连续标志M0.7 和转换允许标志M0.6来区分的。在单步运行过程中按一下气动按钮M0.6瞬间带电，执行一步操作程序形成自锁，再按下启动按钮进行下一步操作。在连续操作时，机械手在原位，按下启动按钮，顺序

18、进行下降，夹紧，上升，右行，下降，松开，上升，左行，下降进行连续操作。在单周期操作时，回到左位后，机械手不再下降，完成一个周期。M2.0:)（ 4）回原点程序在自动回原点工作方式下，I2.1 为 ON。按下启动按钮I2.6 ， M1.0变为 ON,机械手上升，上升到上限位开关时I0.2 为 ON，机械手左行，到左限位开关时，I0.4 变为ON，将步M1.1 复位，同时将M4.2复位，机械手松开。（5）说明程序由于 S7-200PLC 的顺控指令不支持直接输出的双线圈操作，所以要用中间继电器逻辑过度一下，如本题的机械手下降，上行，夹紧、松开、左行、右行等都需要用中间继电器过渡。第四章 总 结总结

19、通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆成了我很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后

20、的工作积累了经验，增强了信心。由于设计水平有限和时间的仓促，本文中难免有错误和不妥之处，请给予批评指正。致谢首先，我感谢薛老师。本设计文是在薛老师精心指导和大力支持下完成的。 他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从确定命题查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，论文写作等整个过程中都给予了我悉心的指导。我对薛老师的感激之情是无法用言语表达的。本课题在选题及研究过程中老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给以终生受益无穷之道。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。在他的引导下，我认识了有了设计的思路，极大的开拓了我的学术视野，也为本篇设计打下了理论基础。在这次设计中老师又给我提出了许多宝贵的意见。