机械手搬运加工PLC课程设计.doc

作者前言
机械手搬运加工PLC课程设计，主要是把学到的知识应用到设计中，是理论联系的过程。
对自动化专业要求：
1. 不仅注重软件设计还要硬件设计并重，我们不是计算机专业，软件只是一方面。（软件设计毕竟要容易一些，除了本文的自动控制，有能力尽可能联系实际，手动程序、原点复位、断电保持等）
2. 仿真和实际电路连接最好要有。
3. 最后锦上添花的是用组态王软件组合起来。（前面的是重点，前面做好也能得优）
学习目的：设计可以很容易的完成，要多问问老师，给予指导，学到不少东西。
最后，非常感谢我的王老师、任老师、（大学中佩服的老师不多，首先第一条德，我是很佩服的；第二才是学识）。在啰嗦一句，当你搜到这篇文章时，可能已经大三下学期了，抓紧时间准备考试，抓紧时间要么考研，要么学习。
2014.6.13日午时 记

电气控制与PLC课程设计

课题： 机械手臂搬运加工流程控制

系 别： 电气与信息工程学院
专 业： 自动化
姓 名： 王弘毅
学 号： 0924111XX
指导教师： 孙XX 董XX 王XX 任XX

XXXXXXXX学院
2014年 6月 13日

成绩评定·

一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分

课程设计成绩评定

成绩： （五级制）

指导教师签字 年 月 日

成绩： （五级制）

指导教师签字 年 月 日

目录

目录
1.引言 ..............................................1
2.控制要求...........................................2
3.硬件系统设计 .......................................3
3.1机械手臂的结构 ...............................3
3.2系统硬件配置及组成原理 ........................4
3.3电气控制的设计 ................................4
3.4 PLC I/O分配表 ................................5
3.5 PLC外部接线图 ................................5
4.搬运机械手的软件系统设计............................5
4.1PLC顺序功能图..................................7
4.2控制顺序功能图.................................7
4.3绘制搬运机械手PLC控制梯形图...................7
4.4各部分功能具体实现 ............................8
5.系统调试及结果分析..................................11
5.1编程指令的选择.................................12
5.2接地点的选择...................................12
5.3结果分析.......................................13
6.课程设计心得........................................12
7.参考文献............................................13
8.附录 ...............................................14
8.1附录一.........................................15
8.2附录二.........................................17
8.3附录三.........................................18

第一章 引言
课程设计背景：随着工业自动化的发展，在工业生产中，越来越多的自动化设备已经完全取代了传统的人工参与工作的工业生产流程。传统的人工参与工作，不仅危险性高，而且生产效率低，人为因素的影响可能会使整个生产流程崩溃，因此，传统的工业生产应该被先进的自动化生产所取代。如今，越来越多的自动化生产设备的应用，使得工业生产中的各种难题都迎刃而解。例如，机械手臂的应用，解决了人工不能在高温、高腐蚀、高辐射的环境中工作的问题，而且机械手臂的应用，提高了生产工件的精度和寿命等。因此，如何设计机械手臂的加工工作流程，成为我们今天主要讨论的问题，课程设计的目的在于：根据课堂讲授内容，学生做相应的自主练习，消化课堂所讲解的内容。通过调试典型例题或习题积累调试程序的经验。通过完成辅导教材中的编程题，逐渐培养学生的编程能力，用计算机解决实际问题的能力。
课程设计的远大意义在于；有助于加深我们对操作系统这门课程的理解，我们在课堂上学的都是基础理论知识，对于如何用程序语言来描述所学知识还是有一定难度。通过课程设计，我们可以真正理解其内涵。有利于我们逻辑思维的锻炼，程序设计能直接有效地训练学生的创新思维、培养分析问题、解决问题能力。即使是一个简单的程序，依然需要学生有条不理的构思。有利于培养严谨认真的学习态度，在程序设计过程里，当我们输入程序代码的时候，如果不够认真或细心，那么可能就导致语法错误，从而无法得出运行结果。那么，这个我们反复调试，反复修改的过程，其实也是对我们认真严谨治学的一个锻炼。
此次，课程设计为机械手臂搬运加工流程控制工艺流程。本文将介绍基于PLC的机械手臂搬运加工的控制设计，该系统具有循环工作、紧急停止、正常停止等工作模式，具有自动上升、下降、夹紧、松开、加工、计数等功能，可以自动的完成对工件的加工流程，以及记录显示加工完成的数目。

第二章 控制要求
2.1机械手臂搬运加工流程课题要求
1．如图所示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带 A 送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台 1 的位置进行第一步骤加工。当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2 进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带 B 送走，然后由 7 段数码管显示加工完成的数量。
2．假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台 l 然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台 2 上进行第二加工步骤。
3．当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置输送带 B 送出，并由 7 段数码管显示出加工完成的数次。

图2.1机械手臂搬运加工流程
第三章 机械手臂搬运加工流程硬件系统设计
3.1机械手臂的结构
设计其结构如图所示

图3.1：机械手的结构示意图
图中设置9个行程开关SQ1—SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。
3.2系统硬件配置及组成原理
本系统设计的PLC的机械臂加工流程控制设计，整个系统组成框架如图：由于PLC引脚所能承受的电压范围有限,所以在PLC在与外界大电压相接时，需要转换电路进行保护，由转换电路与外界大电压电流器件相接，实现PLC间接控制且保护PLC的目的。

开关输入
转换电路
CJ1M PLC

转换电路
机械臂
工作台

图3.2：系统结构框图
3.3电气控制的设计
硬件系统设计包括机械部分和电气控制部分的设计。包括主电路和控制电路的设计。主电路由一台电动机，其控制如下：电动机M1由接触器KM4、KM3分别控制其右移和左移。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。
3.4 PLC I/O分配表
表3.4：I/O分配表
分类
器件作用
器件符号
PLC地址分配
输入
下限位开关
SQ1
X000
上限位开关
SQ2
X001
右限位开关
SQ3
X002
左限位开关
SQ4
X003
无工件检测开关
SQ5
X004
工作台启动按钮
SB1
X006
工作台停止按钮
SB2
X007
输出
下降电磁阀
KM1
Y000
上升电磁阀
KM2
Y001
夹紧电磁阀
KM3
Y002
右行电磁阀
KM4
Y003
左行电磁阀
KM5
Y004
I/O设备即所需的I/O点数如下表所示：
表3.4 I/O点数分配表
信
号
I/O设备
I/O点数
信号
I/O设备
I/O点数
输   入
上下左右行程开关
无工件检测开关
启动停止按钮
4
1
2
输   出
交流接触器控制线圈
上下左右电磁阀
紧松电磁阀
4
4
1
根据I/O点的分配要求及考虑15%的I/O裕量，本设计PLC采用FX2N—32MR型PLC，这种PLC有16个输入点，16个输出点，满足本例要求。
3.5 PLC外部接线图：
由图3—4的IO分配表我们可以绘制PLC外部接线图如图：

图3.5PLC I/O接线控制图
第四章 搬运机械手的软件系统设计
4.1PLC工作流程图
由机械臂的工作过程我们可以简单描述为，当机械臂在A工作台上方（即原点处）且物件在工作台A上，按下启动按钮时，机械臂会向下运动，到达下限后将物件夹紧上升，上升到上限则机械臂向右转移，碰到1处限位开关机械臂向下直到碰到下限开关后松开物件，继而机械臂上升，待机械臂上升到上限时，1处开始加工，1处加工完成后，机械臂将下降→夹紧→上升→到工作台2→下降→松开→上升→2处加工，2处加工完成后，机械臂又下降→夹紧→上升→到工作台B→下降→松开→上升→工作台B将物件运出→机械臂回到原点，执行下一周期的工作。
由机械臂的工作流程可见，机械臂的运动过程以及工作台的加工过程，其实就是PLC输入输出的控制过程。我们可以通过编程控制PLC从而控制整个加工的工作流程，由机械臂的工作过程我们可以得出PLC顺序功能图：
原位
左移
上升
放松
下降
右移
上升
夹紧
下降

图4.1工作流程图
4.2控制顺序功能图
由课题控制要求及分析，我们可以得到本系统的机械手动作示意图如下图所示：

图4.2
4.3绘制搬运机械手PLC控制梯形图
机械手动控制属顺序控制，自动程序采用步进梯形指令控制。由顺序功能图设计梯形图，首先设计每一步工序的梯形图，然后再添加每一步工序的执行命令。
我们采用欧姆龙的程序编程软件CX_Programmer进行梯形图的绘制设计，有关CX_Programmer的使用方法可参见实验指导书。
程序安装：
(1)编程时PLC上的状态开关掷向“STOP”(开关右拨)；
(2)编程器初始化，先按RD/WR，使编程器处于“W”工作方式，按着按
NOP→A→GO→GO；
(3)按编程表输入程序；
(4)按接线表在实验系统上联接导线；
(5)PLC运行，状态开关掷向“RUN”(开关左拨)，RUN指示灯亮；
(6)如果程序出错，PLC上“ERROR”指示灯(红色)闪烁；
将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体结构图（图2—2）的形式组合在一起，得到机械手PLC控制的梯形图（见附图1），和语句指令表（见附图2）。
附图1：搬运机械手PLC控制程序指令
附图2：搬运机械手PLC控制梯形图
附图3：搬运机械手PLC自动运行状态转移图
4.4各部分功能具体实现
由顺序功能图设计梯形图，首先设计每一步工序的梯形图，然后再添加每一步工序的执行命令。
由STOP RUN转换时，特殊功能继电器M8002是初始状态S2置位（ON）。

按下启动按钮SB1(X006),初始状态S2转换到状态S20，将状态S20置为ON，工作台开始由原点处运转。

在S20状态，继电器线圈Y000接通，下降电磁阀得电，执行下降动作。碰到下限开关SQ1（X000）时，初始状态S20转换到状态S21，将状态S21置为ON。

在S21状态，继电器线圈Y002接通，夹紧电磁阀得电，执行加紧动作，同时时间T0继电器开始执行延时程序，延时完成后，将状态S22置为ON。
在S22状态下，上升电磁阀得电，开始执行上升动作，当碰到上限开关SQ2（X001），将状态S23置为ON。

在S23状态下，右移电磁阀得电，开始执行右移动作，当碰到右限位开关SQ3（X002），并且检测到工作台无工件，工件检测SQ5（X004）置为1，将状态S24置为ON。

在S24状态下，下降电磁阀得电，开始执行下降动作，当碰到下限位开关SQ1（X000），将状态S25置为ON。

在S25状态下，将夹紧电磁阀执行复位动作，开始执行放松动作，同时时间T1继电器开始执行延时程序，延时完成后，将状态S26置为ON。

此时机械手臂将工件由A，经过下降、检测、夹紧、上移、右移、检测、下降的过程，移动到工作台1，进行加工的动作。在S26状态下，上升电磁阀得电，执行上升动作，同时时间T2继电器开始执行延时程序，延时完成后，将状态S27置为ON。
在S27状态，继电器线圈Y000接通，下降电磁阀得电，执行下降动作。碰到下限开关SQ1（X000）时，状态S27转换到状态S28，将状态S28置为ON。

在S28状态，继电器线圈Y002接通，夹紧电磁阀得电，执行加紧动作，同时时间T3继电器开始执行延时程序，延时完成后，将状态S29置为ON。

在S29状态下，继电器线圈Y001接通，上升电磁阀得电，开始执行上升动作，当碰到上限开关SQ2（X001），将状态S30置为ON。
在S30状态下，继电器线圈Y003接通，右移电磁阀得电，开始执行右移动作，当碰到右限位开关SQ3（X002），将状态S31置为ON。

在S31状态下，继电器线圈Y000接通，下降电磁阀得电，开始执行下降动作，当碰到下限位开关SQ1（X000），将状态S32置为ON。
在S32状态下，继电器线圈Y002接通，将夹紧电磁阀执行复位动作，开始执行放松动作，同时时间继电器T4开始执行延时程序，延时完成后，将状态S33置为ON。
在S33状态下，继电器线圈Y001接通，上升电磁阀得电，执行上升动作，当碰到上限位开关SQ2（X001），将状态S34置为ON。
在S34状态下，左移电磁阀得电，开始执行左移动作，同时计数器电器开始执行计数，计数一次。当碰到左限开关SQ4（X003）时，若停止按钮SB2的状态为0时，将状态S20置为ON，进行第二次循环；若停止按钮SB2的状态为1时，工作结束，不再循环。

第五章 系统调试及结果分析
5.1编程指令的选择
方案一：使用起保停电路的编程方式。用辅助继电器代表步，仅仅使用与触电和线圈有关的指令。编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但因为存在大量的自保持触点，使程序代码较长。
方案二：采用STL指令的编程方式。STL指令（步进梯形指令）是三菱厂家设计的专门用于顺序控制的指令，使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便，而且易于调试和维护，且代码较短。
5.2接地点的选择
完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是10为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。
5.3结果分析
经过论证和老师讲解，本设计采用的编程方式选用方案二。
良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。所以最后我们给PLC接上了专用接地线。
搬运机械手采用PLC控制，体积小，重量轻，控制方式灵活，可靠性高，操作简单，维修容易。使用该机械手代替人工搬运工件，既安全，又准确，提高了劳动生产率，保证了工件的质量，降低了工人的劳动强度，具有较好的经济效益和社会效益。可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块、高可靠性,在机械手的控制系统的设计中起到了十分重要的作用。
第六章 课程设计心得
通过将近一周的设计，在老师和同学的指导学习下，遇到的问题在摸索中得到解决，终于完成了这一份课程设计。设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关电子方面的资料，既增长了自己的知识面，补充最新的专业知识，又提高了自己的应用能力和实践能力。对学过的课本理论知识起到了很好的温习作用。 本设计完成了课题的要求，即对象由输送带 A 送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台 1 的位置进行第一步骤加工。当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2 进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带 B 送走，然后由计数器计数加工完成的数量。
通过对机械臂加工流程的控制设计，让我进一步认识了工业生产自动化的控制原理，同时也掌握了一些PLC编程技巧。在查询网络大量资料库及图书馆资料后，也坚定了我们只要认真努力，我们也可以设计出最好的控制方案。本设计中还可以为系统增设紧急停止、正常停止、计数复位、系统复位，这样可以让工业控制更具有可控性，也为工业生产排障提供方便，同时也是着眼于工业生产安全而设计的。随着工业自动化的发展，越来越多的自动化生产设备也越来越多，学好PLC必然能够开阔自己的视野，同时适应社会的需要。
设计的时候得到老师和同学的热心帮助，再次向他们表示诚挚的感谢！鉴于我们所学知识有限，经验不足，又是初次进行PLC的课程设计，难免存在一些错误和不足之处，恳请广大老师给予诚恳的批平和热心的指正，再次表示感谢。
第七章 参考文献：
[1] 熊幸明. 电气控制与PLC. 北京：机械工业出版社，2011年1月
[2] 王本轶. 机床设备控制基础. 北京：机械工业出版社，2005年：283-288
[3] 汤以范.电气与可编程控制技术：机械工业出版社；2004
[4] 廖常初.PLC编程及应用：机械工业出版社；2003
[5] 熊幸明. 曹才开. 一种工业机械手的PLC控制.微计算机信息，2006年
[6] 孔秀艳. 一种四轴搬运机械手的PLC控制. 大众科技，2008年，第7期：112-113
[7] 刘轩.王丽伟. 机械手的PLC控制. 机床电器. 2006年，34-49
[8] 张应金. PLC在机械手搬运控制系统中的应用.自动化博览，2008年02月刊71-73
[9] 漆汉宏.PLC电气控制技术 北京：机械工业出版社 2006.12
[10] 詹贵印.周红梅.三自由度液压机械手的PLC控制研究. 装备制造行业应用2007
[11] 言纪兰.懂峰. 基于PLC控制的搬运机械手的应用. 机械工程与自动化，2008
[12] 郁汉棋 .电气控制与可编程控制器应用技术（第二版）南京：东南大学出版社 2009.9

第八章 附录
8.1附录一

8.2附录二

8.4附录三