汽车装配厂气动机械手的PLC控制

辽宁工业大学

电气控制与PLC技术课程设计（论文）

题目：汽车装配厂气动机械手的装C控制

院（系）：电气工程学院

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：（签字）

起止时间：2014.6.30~2014.7.11

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院教研室：自动化

学号学生姓名专业班级

课程设计

卜论文）汽车装配厂气动机械手的PLC控制

题目

实现功能

按下启动开关，执行一次将工件由A处传送到B处动作，

工作过程为原位T下降一夹紧一上升T右移T下降一放松T上

升一左移一原位,上升、下降、左移、右移的执行是利用双线

圈二位电磁阀推动气缸完成（注意：只要电磁阀线圈通电，那

课么一直保持对应的动作不变直到相反动作的电磁阀线圈通电为

程止）；夹紧和放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电

设执行夹紧动作，断电执行放松动作。设备上装有上、下、左、

计右四个限位开关，回到原位时点亮原位指示灯，各动作间隔O.5so

〔

论设计任务及要求

文1、根据系统功能，确定总体控制方案（包括设计系统组成框图，分析各局部的作用）

〕

任2、分析系统的功能与任务，确定输入输出信号和类型，选择PLC型号和扩展模块。

务3、建立I/O分配表，完成PLC与输入/输出信号的外部接线；

4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序；并上机调试、完善程序；

5、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。

技术参数：电磁阀工作电压24V,电流500mA。

1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（2天）

2、建立I/O分配，完成外部接线设计（1天）

进3、按系统的控制要求，完成梯形图设计（2天）

度

方4、上机调试、修改程序（2天）

案5、撰写、打印设计说明书（2天）

6、辩论（1天）

指

导

教

师

平时：______论文质量：_______辩论：_______

评

语

及

总成绩：__________指导教师签字：___________

成

绩

年月日

注：成绩：平时20%论文质量60%辩论20%以百分制计算

摘要

在生产中广泛存在着很多不能直接由人手完成的工作，尤其是搬运笨重物体

或在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气和放射性等恶劣的环境下工

作。针对上述问题，本次课程设计利用PLC技术设计了气动机械手控制系统，来

代替人进行正常工作，大大提高生产的机械化水平和劳动生产率，保证产品质量、

实现平安生产。

本次课程设计为气动机械手的PLC控制。根据输入端子共有14个端子，输出

端子共有6个端子，故此PLC类型选用的是CPU226,CPU226有24个输出端子，

16个输出端子。本系统利用4个限位开关进行位置检测，再通过PLC做出相应的

控制，按给定的顺序、轨迹和要求实现机械手的升降、左右移动、加紧松开等操

作。上升、下降、左移、右移的执行是利用双线圈二位电磁阀推动气缸完成，夹

紧和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，断电执行

放松动作。

本系统具有很强的实用性和广泛的应用范围。它操作简单，具有良好的扩展

性和可靠性。PLC软件编程简单，易于修改，只要通过修改相应软件程序，就实

现更多更强的功能。因此在生产实际中具有很高的实际应用价值。

关键词：机械手；电磁阀；PLC；CPU226

目录

第1章绪论0

第2章设计方案概述1

2.1PLC简介1

2.2机械手的简介1

机械手的根本结构1

机械手的分类2

机械手控制系统设计步骤2

机械手工作过程2

2.3电磁阀的工作原理4

2.4限位开关工作原理4

第1章绪论

工业机械手是近几十年开展起来的一种高科技自动生产设备。它的特点是可

以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，

尤其表达在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，

在国民经济领域有着广泛的开展空间。

机械手的开展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能局部的

代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置

来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大

大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械

化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和

应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的

更为广泛。在我国近几年也有较快的开展，并且取得一定的效果，受到机械工业

的。

气动机械手是以压缩空气来驱动执行机构运动的机械手。它的结构简邑，动作

迅速,本钱低。在机械加工、装配和热处理等生产过程中被广泛用来搬运工件以及

实现自动取料、上料、卸料等操作功能。气动机械手具有气源使用方便、不污染

环境、动作灵活迅速、工作平安可靠、操作维修简便以及适于在恶劣环境下工作

等特点，因而在冲压加工、注塑、机床下料、仪表及轻工业等行业中有着广阔的应

用前景。随着工业自动化程度的提高,工业现场的很多重体力劳动必将由机器代

替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,而且还可以大大提高生产效率。

目前，在一些企业中使用的气动机械手，仍然采用继电器-接触器控制系统。

其弊端主要表现在：大量的机械触点电弧烧蚀和机械磨损，可靠性降低且寿命短;

触点的机械动作频率低且存在抖动现象，控制精度低；接线多而复杂，一旦系统

构成后就很难增加或改变功能，因此灵活性和广展性较差。随着可编程控制器技

术(PLC)的开展，其强大的控制能力不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且能实

现模拟量控制，具有可靠性高、抗干扰能力强、易于扩展、易实现工艺联锁和可

在线修改等优点，因此在工业自动化领域中起到了举足轻重的作用。基于对工厂

控制系统的强抗干扰能力的要求，对气动机械手进行了PLC控制，从根本上解决

了上述弊端。

第2章设计方案概述

2.1PLC简介

可编程控制器(简称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。

可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将

这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个

根本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的

需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为

实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器

(CPU),存储器(RAM/ROM)、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。

2.2机械手的简介

工业机械手是近几十年开展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手

是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任

务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其表达了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔

的开展前景。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技

术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

2.2.1机械手的根本结构

机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由一个工作台搬到另

一个工作台。有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。

简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或

成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械

手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应

的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各

类工业生产线中。图2.1为机械手结构图。其中：1-执行气爪，2-水平伸缩气缸,

3-旋转轴，4-竖直气缸，5-底座，6-工件。

图2.1机械手结构图

2.2.2机械手的分类

机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独

立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规

定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能

的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业,

先是通过操作机来完成特定的作业，后来开展到用无线电信号操作机械手来进行

探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用

于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它

是为主机效劳的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用

的。

本工程要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企

业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械

手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用

的技术。

2.2.3机械手控制系统设计步骤

根据工•艺要求确定被控系统必须完成的动作，确定这些动作之间的关系及完

成这些动作的顺序。（2）分配输入、输出设备，即确定哪些外围设备是送信号给

PLC的,哪些外围设冬是接收来自PLC的信号的，同时还要将PLC的输入、输出点

与之一一对应，对I/O进行分配。在此根底上确定PLC的选型。（3）根据控制系统

的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况，设计PLC用户程序,

此时可采用梯形用、助记符或流程图语言形式的用户程序。PLC的用户程序表达

了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系，编程时可用编程器或计算机

直接编程，修改，同时也可对JLC的工作状态，特殊功能进行设定。（4）对所设计

的PLC程序进行调试和修改，直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。（5）保存

已完成的程序。

2.2.4机械手工作过程

机械手在生产线上的任务是将工件从A处传送到B处。根据外界情况，机械

手在空间上主要进行以下动作：机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上

升，机械手与工件有右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，

机械手左移。控制器检测上，下，左，右限位开关的通断，决定当前的动作，通

过驱动系统输出，控制机械手的动作。同时，用两位数码管显示搬运工件的数量。

启动控制有两种，一个由启动开关安装在现场，一个由通过组态网软件控制。

在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和

回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回

原位的根底上才能进行。

下降和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。例如当下降电磁阀通电时，机械

手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机

械手才上升；当上升电磁阀端电时，机械手上升停止.同样，左移/右移分别由左

移电磁阀和右移电磁阀控制。机械的放松/加紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为

加紧电磁阀）控制。当该线圈通电时，机械手加紧，该线圈断电时，机械手放松。

图2.3机械手工作示意图

当机械手处于原点时（即左限位开关和上限位开关合上），启动以后，机械

手移向A点，加紧工件，然后回到原位，移向B点，放下工件，再回到原位完成

一次动作。

当机械手右移到位并准备下降时，为了确保平安，必须在右工作台上无工作

时才允许机械手下降。也就是说，假设上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走

时，机械手应自动停止下降。

机械手的动作过程如图2.3所示。从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁

阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停

止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。

上升到顶时，碰到上位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移目磁阀,

机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。假设

此时右工作台上无工作，那么光电开关接通，-降电磁阀通电，机械手下降。下

降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电,

机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时.,碰到上限位

开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到

原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过八步

动作完成一个周期。

2.3电磁阀的工作原理

电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流

量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置

发挥作用，最常用的是单向阀、平安阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是

用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继耳器控制。这样，电磁阀可以配合

不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。所谓气动系

统，就是以气体为介质的控制系统。气动系统中，这种能源的介质通常就是空气。

在真正使用的时候，通常把大气中的空气的体积加以压缩，从而提高它的压力。

压缩空气主要通过作用于活塞或叶片来作功。

气动系统中，电磁阀的作用就是在控制系统中按照控制的要求来调整压缩空

气的各种状态，气动系统还需要其他元件的配合，其中包括动力元件、执行元件、

开关、显示设备及其它辅助设备。动力元件包括各种压缩机，执行元件包括各种

气缸。这些都是气动系统中不可缺少的局部。而阀体是控制算法得以实现的重要

设备。

2.4限位开关工作原理

限位开关是一种不需要与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当

物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开

关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种

开关型传感器，它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作

可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防

震、耐腐蚀等特点。限位开关的主要作用是检测机械手升降、停止、起动。

第3章硬件设计

3.1输入输出量统计

输入量：启动、停止、单步操作、连续操作、上升、下降、左移、右移、夹

紧、松开、上限位信号、下限位信号、左限位信号、右限位信号等14个输入量。

输出量：原点指示信号、上升信号、下降信号、左移信号、右移信号、夹紧

松开等6个输出量。

3.2PLC选型

S7-200的种类：

(1)CPU221：内置10个数字量I/O点。

⑵CPU222：内置14个数字量I/O点。

⑶CPU224：内置24个数字量I/O点。

(4)CPU226：内置40个数字量I/O点。

电源为220V交流电。选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应

同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比拟和兼顾，最

终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡

件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、

母板等也要相应增加。当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，

就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的

CPU有不同的扩展标准，它主要受CPU的功能限制。故因此，点数的增加对CPU

选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，

使整个控制系统有较合理的性能价格比。根据所有的输入输出端子的数量以及I/O

分配表。PLC选用CPU224。CPU224,它具有14点输入/I0点输出，I/O点数共

计24点，它有七个扩展模块，有内置时钟。

3.3I/O分配表

选用S7-200系列的CPU224PLC,机械手的控制关系用PLC控制器实现，PLC

需要14个输入端子，6个输出端子。

名称代号输入名称代号输入名称代号输出

下限位开关SQ110.0右移按钮SB711.()下降电磁阀YV1Q0.0

上限位开关SQ210.1夹紧按钮SB811.1上升电磁阀YV2Q0.1

右限位开关SQ310.2单步开关11.2右行电磁阀YV3Q0.2

左限位开关SQ410.3连续开关11.3左行电磁阀YV4Q0.3

上升按钮SB310.4启动按钮SB111.4夹放电磁阀YV5Q0.4

左移按钮SB410.5停止按钮SB2II.5指示灯LEDQ0.5

松开按钮SB510.6

卜降按钮SB610.7

表3.1机械手传送系统输入和输出端子分配表

3.4机械手的PLC控制

机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控

制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打

向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完

成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮

才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。

3.5原理接线图

启动按钮SB1接H.4,停止按钮SB2接H.5,机械手上升、左移、松开、下

降、右移、夹紧按钮SB3,SB4,SB5,SB6,SB7,SB8分别接10.4-11.1。工作台

物品检测限位开关SQLSQ2,SQ3,SQ4,分别连接到CPU224的10.0-10.3。下降

电磁阀YV1,上升电磁阀YV2,,右移电磁阀YV3,左移电磁阀YV4,夹放弓磁阀

YV5,原点指示灯LED分别连接到CPU224的Q0.0-Q0.5。

图3.1PLC原理接线图

第4章软件设计

4.1STEP7Mpr“WIN32软件介绍

STEP7-MW1N32编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门

为SIMTICS7-200系列PLC设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便

的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状

态，该软件是SIMATICS7-200拥护不可缺少的开发工具。

4.2软件调试

调试是保证所提供的设备能够正常运行的必须程序。编好程序后，用各种手

段进行查错和排错的过程。作为程序的正确性不仅仅表现在正常功能的完成上，

更重要的是对意外情况的正确处理。

总体来说，PLC的调试分为两个调试过程：模拟调试和现场调试，但是在此

之前，有一个环节不能少，否则就可能发生问题，那就是对PLC外部接线作仔

细检查，一定要保证外部接线的准确无误。可以用事先编写好的试验程序对外部

接线做扫描通电检查来查找接线故障。但是为平安着想，最好是将电路断开，当

确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，

直到各局部的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。

4.2.1程序的模拟调试

将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。

用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模

拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC

实际的负载（如接触器、电磁阀等）。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或

按钮来模拟实际的反应信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序,

调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换

条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变

为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相

应的变化。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、

有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，

不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情

况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器

的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后

再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制

台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。

4.2.2程序的现场调试

将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能

存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图

程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，

那么对相应硬件和软件局部作适当调整，通常只需要修改程序就可能到达调整的

目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。

4.3机械手的功能块图

机械手手动、自动操作功能图如图4.1所示。

利用SM0.1特殊继电器首次扫描功能，接通电源时，系统启动，开始扫描手动

操作还是自动操作。

M0.3

T4I5

M0.6

T4255

T43

T435

5

图4.1机械手手动、自动操作功能块图

4.4运行程序-梯形图

上升、下降、左移、右移的执行是利用双线圈二位电磁阀推动气缸完成（注

意：只要电磁阀线圈通电，那么一直保持对应的动作不变直到相反动作的电磁阀

线圈通电为止）；夹紧和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，断电执行放松动作。设备上装有上、二、左、右四个限位开关，回到原

位时点亮原位指示灯,各动作间隔0.5s。

为了保证平安运行，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1.有限位开关

限制机械手移动的范围。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。

当11.4=1启动开始（下降限位开关闭合）；那么Q0.0W（下降电磁阀闭合）

下降到一定位置10.0二0（下降限位开关闭合）下降停止；经过计数器0.5秒下一

动作夹物Q0.4=0的物体放开，在经过0.5秒机械手放松状态下上升（Q0.2=1）当

上升到一定位置10.1=1上升停止。在经过0.5秒进行下一个动作左行，左行到一

定位置10.3=1左行停止。当II.4=1启动开始（下降限位开关闭合）;那么Q0.0=1

（下降电磁阀闭合）下降到一定位置10.0=0（下降限位开关闭合）下降停止；经

过计数器0.5秒下一动作夹物Q0.4=0的物体放开,在经过0.5秒机械手放松状态

下上升（Q0.2=1）当上升到一定位置10.1=1上升停止。在经过0.5秒机械手左移

到一定位置左限位开关闭合左行停止。原位指示灯点亮。手动操作根据要求按一

个按钮就执行一个动作。

如图4.2所示为机械手的梯形图。

图4.2机械手梯形图

第5章课程设计总结

通过这次的PLC课程设计，对本学期学习的理论知识有了更