气动机械手控制系统设计.doc

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： 2010 12 10

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
2.1 PLC的由来和发展 ………………………………………………3
2.2 可编程控制器的概念 ……………………………………4
2.3 PLC基本结构和工作原理 ………………………………………5
第三章 气动机械手控制系统设计
3.1 I/o地址分配表 ………………………………………………………7
3.2 PLC系统选择 …………………………………………………………7
3.3 PLC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
2.1 PLC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、使用维护方便等特点，主要应用于开关量控制、模拟量控制、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、电源模块、I/O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。
2.3 PCL的基本结构和工作原理

2.3.1 PLC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环扫描，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用户程序，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。
2.3.2 PLC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。
2.3.3 PLC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
3.1 I/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
SQ1
I0.1
上升停止
上限为开关
SQ2
I0.2
右行停止
右限位开关
SQ3
I0.3
左行停止
左限位开关
SQ4
I0.4
上升
上升按钮
SB4
I0.5
左行
左行按钮
SB6
I0.6
松开
松开按钮
SB8
I0.7
下降
下降按钮
SB3
I1.0
右行
右行按钮
SB5
I1.1
夹紧
夹紧按钮
SB7
I1.2
手动操作
手动开关

I2.0
回原点操作
回原点开关

I2.1
单步操作
单步开关

I2.2
单周期操作
单周期开关

I2.3
连续操作
连续开关

I2.4
启动
启动按钮
SB1
I2.6
停止
停止按钮
SB2
I2.7

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
YV1
Q0.0
夹松
夹松电磁阀
YV5
Q0.1
上升
上升电磁阀
YV2
Q0.2
右行
右行电磁阀
YV3
Q0.3
左行
左行电磁阀
YV4
Q0.4

3.2 PLC系统选择
根据I/O选分配查阅手册选择S7-200 CPU226基本单元（24入/16出）1台
3.3 PLC的输入输出设备接线图(见下页)

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。
回原点
手动
开始

N

手动程序

y

单步
N

回原点程序

y y

N
是否在原点
y y
单步程序

等待检查

N N

是否在原点
单周期
y y
单周期程序

等待检查

是否在原点
连续
N
N

y
停止
连续程序

等待检查

y

N
N

y

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I2.6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，又往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试。
3.5.2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，I2.0为ON，执行手动子程序。在自动回原点方式下，I2.1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。
公用
EN
SM0.0

手动
EN
I0.2

I2.1
回原点
EN

I2.4
自动
EN

I2.3

I2.2

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I0.4、上限位开关I0.2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。

(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。

（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M0.7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，再按下启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。

（4）回原点程序
在自动回原点工作方式下，I2.1为ON。按下启动按钮I2.6，M1.0变为ON,机械手上升，上升到上限位开关时I0.2为ON，机械手左行，到左限位开关时，I0.4变为ON，将步M1.1复位，同时将M4.2复位，机械手松开。

（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解决。
在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆成了我很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。
由于设计水平有限和时间的仓促，本文中难免有错误和不妥之处，请给予批评指正。

致 谢
首先，我感谢薛老师。本设计文是在薛老师精心指导和大力支持下完成的。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从确定命题查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，论文写作等整个过程中都给予了我悉心的指导。我对薛老师的感激之情是无法用言语表达的。
本课题在选题及研究过程中老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给以终生受益无穷之道。
老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。在他的引导下，我认识了有了设计的思路，极大的开拓了我的学术视野，也为本篇设计打下了理论基础。
在这次设计中老师又给我提出了许多宝贵的意见。虽然我遇到了许多困难，但是我及时的和老师讨论这些问题，最终问题都迎刃而解了。减少了我在这次设计中的困惑和完成时间。在论文撰写方面更是给予了方向性的指导和建设性的意见和建议。
最后感谢在大学三年半期间，传授我知识的老师们，感谢在学习和生活上给予我帮助的同学们，没有他们的帮助就没有我今天的成绩。经过两周的学习，本次课程设计已经接近尾声，作为一个在校学生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，毕竟这次设计是我第一次进行电气全面和系统的设计，疏漏和不足之处在所难免，可能存在许多细节未做到及时处理，请老师指正，以帮助我不断提高，不断进步。我相信通过这次全面系统的设计以及在这个过程中各位老师的不断点拨，在今后的工作中我一定会做到更好。

参考文献
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[8] 王玉中, 电气控制及PLC应用技术.河南：河南科学技术出版社，2006
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