气动机械手控制系统设计

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：________________________________

内容摘要

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。

关键词：机械手PLC自动控制气动技术

目录

第一章引言3

第二章PLC的发展

2.1PLC的由来和发展..............................3

2.2可编程控制器的概念.......................4

2.3PLC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.ll/o地址分配表...................................7

3.2PLC系统选择.....................................7

3.3PLC的输入输出设备接线图.....................7

3.4系统控制方案流程图9

3.5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

2.1PLC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1〜2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、使汨维护方便等特点，主要应用于开关量控制、模拟量挖制、

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、目源模块、I/。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

采用循环扫描的工作方式，其逻辑关系是用程序实现而不是实际电路。

2.3PCL的基本结构和工作原理

基本单元

电源

I

----口-凄触器

用

按钮微处理器(CPU)用

输

户

~电磁阀户

入

输

运算等输

继电器触点模

出

入

块

设

设

备

备控制器

行程开关

——指示灯

盒式磁带机一外号储器

设I/O

I/O扩

扩

外打印机一

展

EPROMRAM展

围

写入器一(系统程序)(用户程序)单

EPROMI/O接

接

设

元

口

口

备

-LPLC或上位计算机一

PLC硬件简化框图

2.3.1PLC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式扫描，在无跳转指令或中断的

情况下，CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行月户程序，直到用户程序结束，

然后又返回第一条指令开始新的一轮扫描，并周而复始地重复。在每次扫描过程

中，还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。

2.3.2PLC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。

2.3.3PLC的工作过程

PLC整个工作过程包含五个阶段：自诊断、与编程器等进行通信、输入采样、

执行用户程序、输出刷新。PLC的工作过程框图

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，

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

3.1I/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SQ110.1

上升停止上限为开关SQ210.2

右行停止右限位开关SQ310.3

左行停止左限位开关SQ4T0.4

上升上升按钮SB410.5

左行左行按钮SB610.6

松开松开按钮SB810.7

下降下降按钮SB311.0

右行右行按钮SB511.1

夹紧夹紧按钮SB711.2

手动操作手动开关12.0

回原点操作回原点开关12.1

单步操作单步开关12.2

单周期操作单周期开关12.3

连续操作连续开关12.4

启动启动按钮SB112.6

停止停止按钮SB212.7

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YV4Q0.4

3.2PLC系统选择

根据I/O选分配查阅手册选择S7-200CPU226基本单元（24A/16出）1台

3.3PLC的输入输出设备接线图（见下页）

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3.4系统控制方案流程图

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）

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12.6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，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，乂往前走

一步。单步工作方式常用于系统的调试。

352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，12.0为ON,执行手动子程序。在自动回原点方式下，

12.1为ON,执行回原点子程序，在其他3种工作方式下执行自动子程序。

SM0.0公用

IIEN

主程序结构

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10.4、上限位开关10.2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。

公雨室字

网络1NeterkTitle

10.410.2M4.5

网络2

网络3

12.0M2.0

3

(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。

手动蛹柞

网络^1Netwcx^Title

Cosxxent

11.2M3.1

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1

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10.7M3.2

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10.510.2M3.4M3.3

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网络4

II.010.1M3.3M3.4

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10.610.410.2M3.5M3.6

—II---PI---1I---PI---()

网络6

11.110.310.2)(3.6M3.5

—II---PI---1I---PI---()

（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V0.7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，再按下后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。

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网络3

(4)回原点程序

在自动回原点工作方式下，12.1为ON。按下启动按钮12.6,M1.0变

为ON,机械手上升，上升到上限位开关时10.2为ON,机械手左行，到左限

位开关时，10.4变为0N,将步Ml.1复位，同时将M4.2复位，机械手松开。

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12.112.6Ml.0

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Ml.110.1M4.4

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（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

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