氣動機械手控制系統(tǒng)設計

1、機電控制課程課程設計說明書課程名稱：機電控制PLC 設計設計題目：氣動機械手控制系統(tǒng)設計專業(yè)：機械設計制造及其自動化班級：姓名：學號：指導教師：設計時間：2010 12 10機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常用到的一種能夠自動抓取、操作的裝置，多用于自動生產(chǎn)線、自動機的上下料、數(shù)控設備的自動換刀裝置中。由于氣動技術(shù)是以壓縮空氣為介質(zhì)，以氣源為動力的能源傳遞技術(shù)，其工作可靠性高、使用壽命長、 對環(huán)境沒有污染，所以在機械手的驅(qū)動系統(tǒng)中常采用氣動技術(shù)。氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。因此， 對氣動機械手的研究具有重要的實際價值

2、。關(guān)鍵詞：機械手PLC 自動控制氣動技術(shù)第一章引言3第二章 PLC 的發(fā)展2.1 PLC 的由來和發(fā)展32.2 可編程控制器的概念42.3 PLC基本結(jié)構(gòu)和工作原理5第三章氣動機械手控制系統(tǒng)設計3.1 I/o 地址分配表73.2 PLC系統(tǒng)選擇73.3 PLC 的輸入輸出設備接線圖73.4 系統(tǒng)控制方案流程圖93.5 程序設計和梯形圖10第四章 總結(jié)總結(jié)19致謝20參考文獻21第一章 引言引言PLC 技術(shù)代表了當今電氣程序控制的世界先進水平。它與數(shù)控技術(shù)，工業(yè)機器人技術(shù)已成為機械工業(yè)自動化和CIM 的三大支柱。據(jù)預測，在90年代，美、日、德等發(fā)達國家的控制屏將完全由PLC 所占據(jù)。由于PLC

3、吸收了微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的最新成果，發(fā)展十分迅速，使它已遠遠超出單純?nèi)〈^電器的應用領(lǐng)域， 遠遠超出邏輯控制的范疇，在從單機自動化到整條生產(chǎn)線自動化，乃至整個工廠的生產(chǎn)自動化；從FMS、工業(yè)機器人到大型分散型控制系統(tǒng)中都擔當著重要角色。第二章 PLC 的發(fā)展2.1 PLC 的由來和發(fā)展1968 年美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)，為了適應汽車型號不斷更新的要求，以在激烈的競爭的汽車工業(yè)中占有優(yōu)勢，提出要研制一種新型的工業(yè)控制裝置來取代繼電器控制裝置，為此， 特擬定了十項公開招標的技術(shù)要求，即：1) 編程簡單方便，可在現(xiàn)場修改程序；2) 硬件維護方便，最好是插件式結(jié)構(gòu)；3) 可靠性要

4、高于繼電器控制裝置；4) 體積小于繼電器控制裝置；5) 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；6) 成本上可與繼電器柜競爭；7) 輸入可以是交流115V；8) 輸出為交流115V， 2A 以上，能直接驅(qū)動電磁閥；9) 擴展時，原有系統(tǒng)只需做很小的改動；10) 用戶程序存儲器容量至少可以擴展到4KB。根據(jù)招標要求，1969 年美國數(shù)字設備公司( DEC) 研制出世界上第一臺PLC( PDP 14型 )，并在通用汽車公司自動裝配線上試用，獲得了成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制新時期。PLC 問世以來，其發(fā)展極為迅速。由最初的1 位機發(fā)展為8 位機，現(xiàn)在的大型 PLC 已采用了32位微處理器，可同時進行多任務操作，其

5、技術(shù)已經(jīng)相當成熟。目前，世界上有PLC 生產(chǎn)廠200多家，比較著名的有美國的A-B 公司、通用電氣公司，日本的三菱、松下電工、歐姆龍，德國的西門子，法國的施耐德等。生產(chǎn)的 PLC 品種繁多，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也極快，著名的生產(chǎn)公司幾乎每12 年即可推出一種新產(chǎn)品。PLC 的結(jié)構(gòu)不斷改進，功能日益增強，性能價格比越來越高。展望未來，PLC 在規(guī)模和功能上正朝著兩個方向發(fā)展。一方面，大型PLC 不斷向大容量、高速度、多功能的方向發(fā)展，能取代工業(yè)控制微機對大規(guī)模復雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。另一方面，小型PLC 向超小型、簡易、廉價方向發(fā)展，能真正完全取代最小的繼電接觸器系統(tǒng)，適應單機、數(shù)控機床和工業(yè)機

6、器人等領(lǐng)域的控制要求。另外，不斷增強PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信功能，便于分散控制與集中控制的實現(xiàn)；大力開發(fā)智能I/O 模塊，極大地增強PLC的過程控制能力，提高它的適應性和可靠性；不斷使PLC 的編程語言與編程工具向標準化和高級化方向發(fā)展2.2 可編程控制器概述(1) 可編程控制器是當今工業(yè)控制領(lǐng)域占主導地位的一種新型自動控制裝置，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展是PLC 出現(xiàn)的技術(shù)基礎和物質(zhì)基礎，GM10是促使其問世的直接原因。目前，PLC正向著標準化、小型化、大容量、高速度、多功能等方面發(fā)展。(2) PLC 專為工業(yè)環(huán)境而設計，具有抗干擾能力強、可靠性高、通用性好、功能強、 編程簡單、使用維護方便等特

7、點，主要應用于開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)字控制及通信聯(lián)網(wǎng)等到領(lǐng)域。(3) PLC 按結(jié)構(gòu)形式分為整體式和模塊式兩類；按功能和I/O 點數(shù)可分為低檔機(小型、超小型)、中檔機(中型)、高檔機(大型、超大型)三類。衡量PLC性能的指標主要有：I/O 總點數(shù)、用戶程序存儲容量、指令總數(shù)、掃描速度、內(nèi)部寄存器配置及特殊功能模塊等。(4) PLC常用的編程語言有梯形圖、語句表、流程圖及高級語言等，其中梯形圖、語句表最常用。(5) PLC 主要由CPU、存儲器、I/O 模塊、電源模塊、I/O 擴展模塊、外設接口及編程器等部分組成；軟件部分包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件兩大部分。(6) PLC 的工作方式是采用循環(huán)

8、掃描工作方式，每一循環(huán)包含了自診斷、與編程器等的通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新五個階段。小型PLC使用集中輸入、集中輸出工作方式，這大大提高了PLC工作的可靠性和抗干擾能力。(7) 掃描周期的大小與掃描速度、用戶程序長短、I/O 點數(shù)及其刷新速度、 連接外設的多少等因素有關(guān)。(8) 繼電接觸器控制采用硬邏輯“并行”運行的方式，而可編程序控制器2.3 PCL 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理2.3.1 PLC 的工作方式PLC 對用戶程序的執(zhí)行采用循環(huán)掃描的工作方式。PLC 開始運行時，CPU對用戶程序作周期性循環(huán)掃描，在無跳轉(zhuǎn)指令或中斷的CPU從第一條指令開始順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)

9、束，并周而復始地重復。在每次掃描過程2.3.2 PLC 的工作原理PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，這是有別于微型計算機、繼電接觸器控制的重要特點。微機一般采用等待命令的工作方式。繼電接觸器控制系統(tǒng)采用硬邏輯“并行”運行的方式。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在工作過程中，如果某個軟繼電器的線圈接通， 該線圈的所有常開和常閉觸點并不一定會立即動作，只有CPU掃描到該接點時才會動作：其常閉觸點斷開，常開觸點閉合。也就是說，PLC在任一時刻只能執(zhí)行一條指令，是以“串行”方式工作， 這樣便避免了繼電接觸器控制的觸點競爭和時序失配問題。2.3.3 PLC 的工作過程PLC整個工作過程包含五個階段：自診斷、與

10、編程器等進行通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新。PLC的工作過程框圖與編程器、 計算機等通信讀入 現(xiàn)場信號執(zhí)行 用戶程序輸出結(jié)果輸入和輸出映像寄存器是在PLC的 RAM工作區(qū)中將一特定區(qū)域的存儲單元作為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器的存儲區(qū)。輸入映像寄存器中存儲著對應位輸入“繼電器”的通 /斷狀態(tài)。高電平“1”為通，低電平“0”為斷。此處“繼電器”是指由系統(tǒng)軟件程序賊予的具有繼電器功能的“軟繼電器”。 每位輸入映像寄存器也對應著PLC每個實際輸入端的通/ 斷狀態(tài)。輸入映像寄存器的內(nèi)容只能被PLC中的CPU讀出，而不能被改寫。輸出映像寄存器單元存儲著對應位輸出寄存器的狀態(tài)。在執(zhí)行用戶程序時，

11、輸出映像寄存器既可被PLC的 CPU讀出，又可被CPU改寫。（ 1）輸入映像寄存器的狀態(tài)取決于各輸入端子在上一個刷新期間的狀態(tài)；（ 2） 程序執(zhí)行階段所需的輸入、輸出狀態(tài)，由輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出；（ 3）輸出映像寄存器的內(nèi)容由程序中輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定；（ 4）輸出鎖存器中的內(nèi)容由上一次輸出刷新時輸出映像寄存器的狀態(tài)決定；（ 5）各輸出端子的通斷狀態(tài)由輸出鎖存器的內(nèi)容來決定。第三章 氣動機械手控制系統(tǒng)設計3.1 I/o 地址分配表輸入信號分配信號名稱元件名稱元件符號地址編碼下降停止下限位開關(guān)SQ1I0.1上升停止上限為開關(guān)SQ2I0.2右行停止右限位開關(guān)SQ3I0.3左行停止左

12、限位開關(guān)SQ4I0.4上升上升按鈕SB4I0.5左行左行按鈕SB6I0.6松開松開按鈕SB8I0.7下降下降按鈕SB3I1.0右行右行按鈕SB5I1.1夾緊夾緊按鈕SB7I1.2手動操作手動開關(guān)I2.0回原點操作回原點開關(guān)I2.1單步操作單步開關(guān)I2.2單周期操作單周期開關(guān)I2.3連續(xù)操作連續(xù)開關(guān)I2.4啟動啟動按鈕SB1I2.6停止停止按鈕SB2I2.7輸出信號信號名稱元件名稱元件符號地址編碼下降下降電磁閥YV1Q0.0夾松夾松電磁閥YV5Q0.1上升上升電磁閥YV2Q0.2右行右行電磁閥YV3Q0.3左行左行電磁閥YV4Q0.43.2 PLC 系統(tǒng)選擇根據(jù) I/O 選分配查閱手冊選擇S7-

13、200 CPU226基本單元（24入 /16 出） 1 臺3.3 PLC 的輸入輸出設備接線圖（見下頁 ）FLJ1嘴聊惆撅B粉丹 福賺¥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： 接通電源是系統(tǒng)啟動開始掃描，掃描手動式判斷手動按鈕的是執(zhí)行手動操作， 掃描回原點開關(guān)，是執(zhí)行回原點操作，掃描單步開關(guān)，是執(zhí)行單步操作，掃描單周期開關(guān)，是檢測是否在原點，是執(zhí)行單周期操作，掃描連續(xù)操作，是檢測是否在原點，是執(zhí)行連續(xù)操作。除了連續(xù)操作以外，其他操作執(zhí)行完以后自動重新掃描。3.5 程序設計和梯形圖3.5.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與工作方式機械手用來將工件從A 點搬運到B 點，輸出Q0.1 為 1 時工件被夾緊，為0 時背松開。工作方式選擇開關(guān)的5 個位置分別對應于5 種工作方式，操作面板左下部的6 個按鈕式手動按鈕。為了保證在緊急情況下（包括PLC 發(fā)生故障時）

15、能可靠地切斷負載電源，設置了交流接觸器KM 。 PLC 開始運行時按下“負載電源”按鈕，使 KM 線圈得電并自鎖，KM 的主觸點接通，給外部負載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時用“緊急停車”按鈕斷開負載電源。系統(tǒng)設有手動、單周期、連續(xù)、單步和回原點五種工作方式。在手動工作方式下，用I0.5 I1.2 對應的 6 個按鈕分別獨立控制機械手的升、降、左右行和夾緊松開。在單周期的工作方式下，按下啟動按鈕I2.6 后，從初始步M0.0 開始，機械手按順序功能圖的規(guī)定完成一個周期的工作后，返回并停留在初始步。在單步工作方式下，從初始步開始，按一下啟動按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成該步的任務后，自動停止工作并停

16、留在該步，再按一下啟動按鈕，又往前走一步。單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試。3.5.2 程序的總體結(jié)構(gòu)（見下圖）下圖是主程序機構(gòu)圖，SM0.0 的常開觸點一直閉合，公用程序是無條件執(zhí)行的。在手動工作方式下，I2.0 為 ON，執(zhí)行手動子程序。在自動回原點方式下，3.5.3 梯形圖(1) 公用程序公用程序見下圖用于處理各種工作方式都要執(zhí)行的任務，以及處理不同工作方式之間的轉(zhuǎn)換。左限位開關(guān)I0.4 、上限位開關(guān)I0.2 的常開觸點和表示機械手松開的 M4.5 的常閉觸點的串聯(lián)電路接通時，原點條件M0.5 變?yōu)镺N。當機械手處于原點位置狀態(tài)，在開始執(zhí)行用戶程序、系統(tǒng)處于手動或者自動回原點狀態(tài)，初始步對應

17、的M0.0 將被置位，進入單步、單周期和連續(xù)工作方式做好準備。當初始位 M0.0為 OFF時，也就是說初始位不在原點，無論如何按啟動按鈕都不會執(zhí)行自動操作。(2) 手動程序為了保證安全運行，在手動程序中設置了一些必要的連鎖：設置上升與下降之間, 左行與右行之間的互鎖, 以防止功能相反的兩個輸出同時為ON.有限位開關(guān)限制機械手移動的范圍。（ 3）自動程序單周期、連續(xù)和單步操作這3 種工作方式主要是用連續(xù)標志M0.7 和轉(zhuǎn)換允許標志M0.6來區(qū)分的。在單步運行過程中按一下氣動按鈕M0.6瞬間帶電，執(zhí)行一步操作程序形成自鎖，再按下啟動按鈕進行下一步操作。在連續(xù)操作時，機械手在原位，按下啟動按鈕，順序

18、進行下降，夾緊，上升，右行，下降，松開，上升，左行，下降進行連續(xù)操作。在單周期操作時，回到左位后，機械手不再下降，完成一個周期。M2.0:)（ 4）回原點程序在自動回原點工作方式下，I2.1 為 ON。按下啟動按鈕I2.6 ， M1.0變?yōu)?ON,機械手上升，上升到上限位開關(guān)時I0.2 為 ON，機械手左行，到左限位開關(guān)時，I0.4 變?yōu)镺N，將步M1.1 復位，同時將M4.2復位，機械手松開。（5）說明程序由于 S7-200PLC 的順控指令不支持直接輸出的雙線圈操作，所以要用中間繼電器邏輯過度一下，如本題的機械手下降，上行，夾緊、松開、左行、右行等都需要用中間繼電器過渡。第四章 總 結(jié)總結(jié)

19、通過本次設計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結(jié)合開發(fā)、設計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在本次設計中，我們還需要大量的以前沒有學到過的知識，于是圖書館成了我很好的助手。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關(guān)知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學習的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領(lǐng)域，這方面的能力便會使我們受益非淺。在設計過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。自然而然，我的耐心便在其中建立起來了。為以后

20、的工作積累了經(jīng)驗，增強了信心。由于設計水平有限和時間的倉促，本文中難免有錯誤和不妥之處，請給予批評指正。致謝首先，我感謝薛老師。本設計文是在薛老師精心指導和大力支持下完成的。 他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從確定命題查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，論文寫作等整個過程中都給予了我悉心的指導。我對薛老師的感激之情是無法用言語表達的。本課題在選題及研究過程中老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，給以終生受益無窮之道。老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。在他的引導下，我認識了有了設計的思路，極大的開拓了我的學術(shù)視野，也為本篇設計打下了理論基礎。在這次設計中老師又給我提出了許多寶貴的意見。