PLC技术与工程应用 机械手电气控制系统设计.doc

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1、河南机电高等专科学校课程设计报告书课程名称： PLC技术与工程应用 课题名称： 机械手电气控制系统设计 系部名称： 自动控制系 专业班级： 计控 102 姓 名： 崔建彪 学 号： 101413233 2012年 06月20日目 录目 录I1、引言12、系统总体方案设计22.1机械手系统硬件配置及组成原理22.2 有关机械手的I/O系统变量定义及分配表63、 控制系统设计73.1 控制程序总流程图73.2 控制程序设计思路83.3 创新设计内容94、上位监控系统设计95、 程序调试115.1调试设备115.2遇到的问题与解决方法116、心得体会12附录1 参考文献13附录2 程序清单141、

2、引言在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术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。，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条

3、件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。机械手的种类，按驱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

4、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。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。随着人类的发展、文明的进步，工业正不断发展着，需要人们完成的工作量也不断增大（尤其是那种重复性大的工作，像传运货物），涉及到危险性的工作也日趋增多，这就迫使人们研究开发一种新装置，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作的一种装置，而机械手正是这样一种装置：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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。2、系统总体方案设计2.1机

5、械手系统硬件配置及组成原理 输入、输出驱动单元该设备四自由度动作由四台直流电动机驱动，每台电动机可进行正反转运行。左右摆动由齿轮组啮合实现减速传动；伸出与退回、上下移动由直流减速电机驱动丝杠-螺母结构完成；机械手指的夹紧与张开由直流减速电机驱动连杆结构实现。该设备共有8个动作，由控制器输出信号驱动。每个自由度运行极限位置设置了两个行程开关，用于判断当前动作是否到位。该设备共有8个行程开关作为控制器的输入信号。机械手实验设备如图1所示。该设备可以实现手臂的左右摆动、伸出与退回、上下移动、机械手指的夹紧与张开等四自由度动作。图1. 机械手实验设备 输入/输出接口电路介绍机械手实验设备既是所谓控制对

6、象，对于一般工业控制，其控制核心使用可编程控制器(PLC)。设计输入输出接口电路 (如图2所示) 的目的是为解决机械手设备输出驱动单元、输入检测单元与PLC之间的信号接口问题。图中上层电路板是驱动电路板，下层电路板左侧是输入接口电路板，右侧是输出接口电路板。图2. 输入输出接口电路板 输入/输出接口电路板输入接口电路板原理图如图3所示，其功能是将设备上行程开关的开关状态转换为统一的电平信号(逻辑1：24V DC ；逻辑0：0V DC)。板上设有光电隔离电路，将内外电源隔离，以保护设备安全。 图3. 输入接口电路板电气原理图本设备8个输入信号，对应输入接口电路板的8根输入信号线。各信号线对应的行

7、程开关如表1所示。表1. 输入信号线与行程开关对应关系表输入信号线序号(自左到右)对应行程开关备 注1左转到位2右转到位3退回到位4伸出到位5上移到位6下移到位7手指张开到位8手指夹紧到位输出接口(如图4所示)由两块电路板构成：驱动电路板和输出接口电路板。它们的功能是将PLC输出的控制信号用于驱动继电器动作，从而控制电动机正向或反向运行。输出接口电路板上也设有光电隔离电路，可将内外电源隔离。左图为驱动电路板电气原理图，继电器A吸合、B释放，对应的电机正转；继电器A释放、B吸合，对应的电机反转；继电器A、B同时释放，电机停止运行；不允许二者都吸合。右图为输出接口电路板电气原理图，当PLC输出的某

8、路控制信号有效时，对应的输出信号有效，从而可以使得对应的继电器吸合。 图4. 输出接口电路电气原理图 (左图为驱动电路板，右图为输出接口电路板)本设备有8个输出控制信号，对应输出接口电路板的8根输出信号线。各输出信号线对应的电动机动作关系如表2所示。表2. 输出信号线与电动机动作对应关系表输出信号线序号（自左到右）对应电动机备注1摆动电机左转2摆动电机右转3水平电机伸出4水平电机退回5垂直电机上移6垂直电机下移7手指电机张开8手指电机夹紧系统组成图图5、机械手电气控制系统总组成图2.2 有关机械手的I/O系统变量定义及分配表1、机械手I/O变量分配表3机械手的I/O系统变量分配表名称输入点编号

9、说明左限位I0.0左转到位开关右限位I0.1右转到位开关退回I0.2退回到位开关伸出I0.3伸出到位开关上行I0.4上行到位开关下行I0.5下行到位开关张开I0.6张开到位开关抓紧I0.7手指抓紧到位名称输出点编号说明电机左转Q0.0电机左转电机右转Q0.1电机右转电机伸出Q0.2电机伸出电机退回Q0.3电机退回电机上移Q0.4电机上移电机下移Q0.5电机下移手指电机张开Q0.6手指电机张开手指电机抓紧Q0.7手指电机抓紧故障灯Q1.0故障灯2、机械手控制系统接线 图6、机械手控制系统的接线图3、 控制系统设计3.1 控制程序总流程图 图7、机械手程序总流程图机械手程序的简要说明：1、 在单步

10、模式下按下启动按钮(若机械手处于初始位置，则开始运行；否则，按下复位键，使机械手复位)伸出下行手指夹紧上行左转下行手指张开上行退回左行停止2、 在连续模式下按下启动按钮，上述动作依次发生，但回到初始位置之后，继续下一个工件的传输过程。连续模式下，按下停止按钮，待本次工件传输工作结束后，停止运行。3.2 控制程序设计思路该课程设计中的实验程序采用功能图其具体的步骤和编写思路如下：图8、机械手的顺序功能图顺序功能图简要说明：（1） 由于单步/连续运行的原因，使用了分支选择电路，使机械臂按照不同的操作方法进行物料的抓取与放置。（2） 机械臂在上、下、左、右行走的控制中使用了S-作为状态条件。（3）

11、S7-200PLC的顺控指令不支持直接输出故用了SM0.0常ON继电器作为线圈通的条件来解决这一缺陷。（4） 程序中M0.0是一个选择逻辑它相当于一个开关，控制系统是单步操作还是循环操作。3.3 创新设计内容1、编制四个驱动电机的保护程序。要求自动检测电机是否处于堵转状态。若电机处于堵转状态，应立即停止系统工作，并点亮故障报警灯；故障排除后，按下复位按钮，故障报警灯熄灭；2、连续运行模式下，统计传输工件的个数，存储于PLC的V型数据区，以备组态监控使用，也可用状态表监视其状态变化。4、上位监控系统设计本实验所采用上位监控系统是基于计算机的上STEP 7Micro WIN软件，而进行对程序和设备

12、的系统内部的监控，主要的过程如下：1. 熟悉STEP 7Micro WIN软件的编程环境、编程方法和用STEP 7Micro WIN软件编写上位机监控系统的程序。2. 根据课目设计要求，编写程序。3. 对系统进行调试和I/O地址的分配、标释。4. 运行机械手设备，打开上位机上的监控系统，观察课目设计程序，并监控机械手设备是否正常情况下工作。5. 对设备工作中的不足进行修改，重新进行观察本软件对程序实施了监控，监控部分剪影如图9所示：图9、程序的上位机监控图另外本上位机监控系统还对数据的变化进行了全程监控，监控图表剪影如图10所示：图10、据变化的监控系统图5、 程序调试5.1 调试设备 首先在

13、电脑的STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。启动后发现程序并不能按照实验要求的步骤进行运行，甚至没有可运行的迹象，这样起初设计的单步程序和连续运行程序就失败了，也就不符合设计中的要求动作依次有序进行操作的要求，所以务必要对其进行修正。这种情况下我采取了以下方案：方案一：在没有确定设备是否存在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不存在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，

14、结果发现和以前的运行结果一样。这样方案一就以失败而告终。方案二：经过老师的指点我才明白是最初的程序均是单独的互不连接的，未经子程序进行调用，因此就更不用提程序能连续运行了。于是我这次选择了利用顺序功能图进行编程，摒弃了之前的程序，经过对程序的一改再改之后，又一次对程序进行了调试并下载到可编程控制器中进行模拟检测，结果仍然取得了不尽如人意的结果。于是就再去请教指导老师，经过一番指导终于小有成果，可以使机械手进行预定步骤的动作的演示，所以此方案成功了。5.2 遇到的问题与解决方法1、问题：“怎样使机械手的工作状态清晰而简单呈现出来？”法案：“采用功能图进行程序的编写与调试。”2、问题：“如何解决机

15、械手的动作单步运行？”法案：“采用上升沿脉冲触发并使用计数器、比较指令，以拨动开关产生上升沿脉冲触发数目来判定机械手那步动作的执行。”3、问题：“如何解决对工件数目的计数？法案：“进行标志位设置，使用传送指令、加数指令、上沿触发指令，以循环动作的最后一步限位开关闭合作为触发进行加数，把所得加数和送给VB0.6、心得体会 机械臂的PLC控制课程设计是自动化课程当中一个重要环节通过了2周的课程设计使我对课程设计过程有进一步了解，对自动化产品的有关的控制知识有了深刻的认识。此次设计是在张士磊老师的悉心指导下完成的。老师为设计课题的研究提出了许多指导性的意见，为课程设计的撰写、修改提供了许多具体的指导

16、和帮助。张士磊老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文结束之际，特向我敬爱的老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。再一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，如：遗忘以前学过的专业基础知识。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

17、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，培养了我综合应用机械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。经过这次的努力，使我顺利的完成了此次课程设计。这份课程设计既是对这学期所学知识的总结，又是自己知识的积累，也大大加深了对可编程控制器技术的了解。课程设计中既动脑又动手，是一个理论与实际结合的过程。仅仅有理论是不够的，更重要的是实际的，是我们所设计的实物，具有设计合理，经济

18、实用的优点。这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫的大意。对设计方案的优越化，也需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际。再次向教育指导我的老师及同学表示诚挚的感谢！鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂的设计，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请老师给予批评和指正。附录1 参考文献1 王永华.现代电气控制及PLC应用技术（第二版）. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.2 西门子公司. SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.2004.63 姚永刚。电机与控制技术.北京：中国铁道出版社.20104 朱献清 郑静.电气制图.北京：机械工业出版社 .20125 王永华.现场总线技术及应用教程.北京：机械工业出版社，20066 西门子公司.MICROMASTER 用户手册。2004附录2 程序清单