显像管搬运机械手课程设计.doc

目录

前言
1 课题的基本规定………………………………………………..4
2 总体设计………………………………………………………..5
2.1 PLC选型.........................................................................5
2.2 I/O点及地址分派……………………………………...7
2.3 PLC端子接线.................................................................9
2.4 操作面板示意图……………………………………….11
3 PLC程序设计…………………………………………………...12
3.1 设计思想..........................................................................12
3.2 显像管搬运机械手顺序功能图......................................13
3.3 PLC梯形图......................................................................15
3.3.1自动梯形图………………………………………15
3.3.2复位梯形图……………………………………....25
3.3.3手动梯形图 ……………………………………..26
4 程序调试说明............. ..................................................................28
结束语................................................................................................29
参考文献............................................................................................30

前言

1、PLC的概念
可编程控制器（Programmable Controller）是以微解决器为核心，综合了微电子技术，自动化技术，网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。英文缩写为PC或PLC。它具有体积小、功能强、程序设计简朴、灵活通用、维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更得到用户的好评。因而在机械、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC,机器人和CAD/CAM）。
2、PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强 　　
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良导致的故障大为减少。 　
(2)硬件配套齐全，功能完善，合用性强 　　
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
(3)PLC的安装接线方便，一般用接线端子连接外部接线。
(4)PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器
可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑解决功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 　　
(5)易学易用，深受工程技术人员欢迎 　
　PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿公司的工控设备。它接口容易，编程

语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相称接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 　
(6)系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 　　PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备通过改变程序改变生产过程成为也许。这很适合多品种、小批量的生产场合。 　
(7)体积小，重量轻，能耗低 　　
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相称于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到本来的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的抱负控制设备。
3 PLC应用领域
(1) 用于顺序控制
顺序控制是根据有关输入开关量的当前与历史的状况，产生所规定的开关量输出，以使系统能按一定顺序工作。这是系统工作最基本的控制。
(2) 用于过程控制
过程控制要用到模拟量。模拟量一般是指连续变化的量，如电流、电压、温度、压力等物理量。过程控制的目的就是，根据有关模拟量的当前与历史的输入状况，产生所规定的开关量、或模拟量输出，以使系统工作参数能按一定规定工作。是连续生产过程最常用的控制，过程控制的类型很多。
(3) 用于运动控制
运动控制重要指，对工作对象的位置、速度及加速度所作的控制。可以是单坐标，即控制对象作直线运动；也可是多坐标的，控制对象的平面、立体，以至于角度变换等运动PLC也已具有解决脉冲量的能力。
(4)用于信息控制
信息控制也称数据解决，是指数据采集、存储、检索、变换、传输及数表解决等。
随着技术的发展，PLC不仅可用作系统的工作控制，还可用作系统的信息控制。
(5) 用于远程控制
远程控制是指，对系统的远程部分的行为及其效果实行检测与控制。
4 PLC应用于机械手控制
近年来，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。为此，各高校的电气自动化、电气工程、供用电技术、机电一体化等相关专业相继开设了有关可编程控制器原理及应用的课程。 高等工科院校的培养目的的首要任务是培养具有创新精神和实践能力的各类技术人才，这种人才培养目的的实现必须有一定的实践教学环节。学生通过实践教学环节的训练与锻炼，才干在实践中不断巩固和加深理论知识，提高独立工作能力和创新能力。 实训是各种实践性环节的综合训练，是工程实用技能的训练。可编程控制器应用技术是先进的自动化控制技术，是亟待掌握的实用技术，对于这样一门应用性广、实践性强的专业课，必须通过各种形式的实训环节，构筑实践环境，强化工程意识，提高应用能力。 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增长了工人的劳动强度，甚至于危及生命。工业机械手就这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。电气方面有电机、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。机械手是由PLC输出三路来分别驱动左右移动、上下升降和手部的夹紧放松。工业机械手模型可在空间按固定动作抓放单个物体，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用在工业生产和其他领域内。应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，并且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及减少生产成本，有着十分重要的意义。本文以西门子S7-200 CPU226的PLC为基础，介绍PLC在机械手搬运控制中的应用，并给出了具体的PLC程序设计过程。该程序已在工业机械手中获得了广泛应用，具有稳定、可靠的性能。

1 课题的基本控制规定

题目：显像管搬运机械手控制设计
搬运机械手涉及：摆动缸、燕尾缸、下臂缸、吸盘升降缸、钳口合龙缸、吸盘、回转电机。每个汽缸的双向动作都有限位检测开关。控制流程如下图所示。其中“摆动到清洗机”动作执行，除了图中的前提条件外，尚有“清洗机到位”的附加条件。
1) 按停止按钮，完毕当前循环后再停。
2）按复位按钮，立即返回原位停止。
3）规定可以实现手动、单周期、连续控制。
控制规定如图1.1所示。
图1.1 显像管搬运机械手工作循环流程图

2 总体设计

2.1 PLC选型
显像管搬运机械手控制需要33个输入，16个输出，但CPU的集成输出形式和模块的电源规格有关。直流电源输入的CPU模块输出为直流晶体管，采用交流电源输入的CPU模块的输出为继电器触点，内部带有光耦器件。根据本课题需要选择CPU (CPU226继电器输出,24输入，16输出）由于集成输入不够，需扩展模块，由此选择扩展模块（EM223 16入 24VDC/16出，继电器）。如表2.1所示

表2.1 S7-200 CPU模块的型号与订货号
序号
订货号
注释

CPU

1
6ES7211-0AA23-OXB0
CPU221 DC/DC/DC,6输入/4输出
2
6ES7211-0BA23-OXB0
CPU221继电器输出,6输入/4输出
3
6ES7212-1AB23-OXB8
CPU222 DC/DC/DC,8输入/6输出
4
6ES7212-1BB23-OXB8
CPU222继电器输出,8输入/6输出
5
6ES7214-1AD23-OXB8
CPU224 DC/DC/DC,14输入/10输出
6
6ES7214-1BD23-OXB8
CPU224继电器输出,14输入/10输出
7
6ES7214-2AD23-OXB8
CPU224XP DC/DC/DC,14DI/10DO,2AI/1AO
8
6ES7214-2BD23-OXB8
CPU224XP 继电器输出,14DI/10DO,2AI/1AO
9
6ES7216-2AD23-OXB8
CPU226 DC/DC/DC,24输入/16输出
10
6ES7216-2BD23-OXB8
CPU226继电器输出,24输入/16输出

扩展模块

11
6ES7 221-1BH22-OXA8
EM221 16入 24VDC,开关量
12
6ES7 221-1BF22-OXA8
EM221 8入 24VDC,开关量
13
6ES7 221-1EF22-OXA0
EM221 8入 120/230VAC,开关量
14
6ES7 222-1BF22-OXA8
EM222 8出 24VDC,开关量
15
6ES7 222-1EF22-OXA0
EM222 8出 120/230VAC,0.5A开关量
16
6ES7 222-1HF22-OXA8
EM222 8出 继电器
17
6ES7 222-1BD22-OXA0
EM222 4出 24VDC 固态-MOSFET
18
6ES7 222-1HD22-OXA0
EM222 8出 继电器 干触点
19
6ES7 223-1BF22-OXA8
EM223 4入/4出 24VDC ,开关量
20
6ES7 223-1HF22-OXA8
EM223 4入 24VDC /4出,继电器
21
6ES7 223-1BH22-OXA8
EM223 8入/8出 24VDC ,开关量
22
6ES7 223-1PH22-OXA8
EM223 8入 24VDC /8出,继电器
23
6ES7 223-1BL22-OXA8
EM223 16入/16出 24VDC ,开关量
24
6ES7 223-1PL22-OXA8
EM223 16入 24VDC /16出,继电器
2.2 I/O点及地址分派
搬运机械手涉及：摆动缸、燕尾缸、下臂缸、吸盘升降缸、钳口合龙缸、吸盘、回转电机，每个汽缸的双向动作都有限位检测开关。清洗机尚有 “清洗机到位”的附加条件，选择自动控制输入、输出的同时按任务规定尚有手动控制，所以I/O分派的时候还得选择手动控制输入，具体I/O分派如表2.2所示。
表2.2 I/O分派图
输入
作用
输出
作用
I0.0
启动
Q0.0
燕尾伸出
I0.1
停止
Q0.1
燕尾缩回
I0.2
复位
Q0.3
下臂抬起
I0.3
上限位
Q0.4
下臂下放
I0.4
下限位
Q0.5
调整电机工作
I0.5
左限位
Q0.6
钳口合拢
I0.6
右限位
Q0.7
钳口打开
I0.7
显像管传送限位
Q1.0
摆动到清洗机
I1.0
钳口合拢限位
Q1.1
摆动复位
I1.1
钳口打开限位
Q1.2
转盘回转
I1.2
左回转限位
Q1.3
转盘回转复位
I1.3
右回转限位
Q1.4
吸盘上升
I1.4
前摆动限位
Q1.5
吸盘下降
I1.5
后摆动限位
Q1.6
报警
I1.6
手动
Q1.7
吸盘吸显像管（S R）
I1.7
单周期
Q2.0
显像管传送
I2.0
连续

I2.1
清洗机到位

I2.2
手动显像管传送

I2.3
手动燕尾伸出

I2.4
手动燕尾缩回

I2.5
手动下臂抬起

I2.6
手动下臂放下

I2.7
手动钳口合拢

I3.0
手动钳口打开

I3.1
手动调整电机

I3.2
手动摆动到清洗机

I3.3
手动摆动复位

I3.4
手动转盘回转

I3.5
手动转盘回转复位

I3.6
手动吸盘上升

I3.7
手动吸盘下降

I4.0
手动吸显像管

2.3 PLC端子接线
PLC基本配置有基本单元自身构成，电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做基本单元。基本单元接线如图2.1所示。

图2.1 基本单元接线图

由于显像管搬运机械手的控制需要33个输入，16个输出，基本单元的控制点数不符合需要，所以需要选择扩展单元，选择的扩展模块为EM223 16入 24VDC /16出,继电器，接线图如图2.2所示。

图2.2 EM223扩展模块接线图

2.4 操作面板示意图
工作方式选择开关3个位置分别相应3种工作方式，操作面板上的旋钮是控制手动、单周期、连续，而左下部的15个按钮是手动按钮。出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源，具体控制如图2.3。

图2.3控制面板示意图
3 PLC程序设计

3.1设计思想
机械手的控制规定和运营过程比较复杂，在这基础上我的设计思想是将一个复杂的控制过程分解为若干个工作状态，弄清楚各工作的工作细节（状态功能、转移条件和转移方向）再根据总的控制顺序规定，将这些工作状态联系起来，就构成了这个程序设计的重要路线。
选择控制方案的时候，可用子程序和自动顺序控制，我选择了自动顺序控制，在设计过程中，最开始的思想是用单独的一个网络程序来控制单周期和连续，但是在设计过程中，不断的发现，最终改用一个网络程序来控制单周期和连续。
在这个课题中，有多种不同的工况，对本课题规定的机械手控制规定我按以下几.4种工况设立：
（1）手动工作
1）调试工作（手动规定）：运用按钮对机械手每一动作单独进行控制。例如，按“下降”按钮，机械手下降；按“上升”按钮，机械手上升。
2）回原位：由于机械手在自动工况下必须从原点开始安工序工作。假如机械手因某种因素不在原点位置，可用手动使机械手置于原点位置（机械手在下面和左边，且钳口处在打开状态，摆动缸处在前位置）
（2）自动工作
1）单周期工作：按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完毕一个周期的动作，返回原点后停止。
2）连续工作
按下启动按钮，机械手从原点开始安工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮或者复位按钮，机械手自动停机；所以在设计中，设计了一个“启保停回路”来判断有没有按停止按钮或者复位按钮。

3.2 显像管搬运机械手顺序功能图
机械手的控制规定和运营过程比较复杂，将控制过程分解为若干个工作状态，各工作有自己的的工作细节，也有总的控制顺序规定，将这些工作状态联系起来，就构成了这个程序设计的重要路线，也就是顺序功能图，它可以明确的表达机械手执行动作的过程，具体如图3.1。

图3.1 顺序功能图

3.3 PLC梯形图
3.3.1自动程序梯形图
按启动按钮I0.0，假如同时选择的是连续档位I2.0,将一个周期完毕后会自动开始下一个周期的循环，假如只按启动按钮I0.0，不按连续按钮I2.0，那么只会完毕一个周期的动作。具体程序控制如图3.2。

图3.2 自动程序的梯形图

3.3.2复位控制梯形图
按动复位按钮I0.2,停止一切操作，同时接通Q1.4吸盘上升和摆动复位Q1.1,回转复位Q1.3、下臂下放Q0.4,燕尾缩回Q0.1到原点，具体控制程序如图3.3.

图3.3 复位控制程序梯形图
3.3.3手动梯形图
当选择手动档位I1.6，每一步都是由手动按钮开关控制显像管搬运机
械手的每一个动作，具体控制程序如图3.4

图3.4手动控制梯形图

4 程序调试说明

在设计好程序以后，总是出现写入的错误，比如“长开”写成“长闭”，I0.3写成I3.0,还会出现把定期器的时间“20”写成“200”，所以在设计好程序以后，我们需要逐步的仔细检查，并改写写入是出现的错误，在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用开关和按钮来实现，各输出量的通／断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，报警也可以在上面模拟。用软件S7-200仿真软件模拟的时候就用上面的开关来控制你所需要的输入。
在调试时应充足考虑各种也许的情况，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、各种也许的进展路线，都应逐个检查，不能漏掉。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种也许的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合规定。
在模拟调试过程中假如程序中某些定期器或计数器的设定值过小，我们来不及反映，我们可以适当增长时间，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。
在我所设计的程序中，M0.4步接通T37定期器，当T37时间到了并且左限位开关（I0.5）同时接通的时候才可以进入M0.5这个步，假如在T37时间到之前没有把I0.5开关打开，就会直接报警回到原点停止，因此在模拟的这个过程中，我们可以在接通T37的同时把I0.5提前打开。
通过多次发现错误并改写，慢慢琢磨，程序调试成功的实现了单周期、连续和手动，达成了显像管机械手的控制规定。

结束语

查阅了很多本资料，里面都有讲机械手在实际生活中的应用，能按固定程序抓取、搬运物件。我做的题目是显像管搬运机械手控制系统。通过上课老师的讲解和自己各方面的查资料。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。PLC是应用在工业环境中的东西，是模拟量和数字量的转换，在我们完毕这个课题的同时，学习写程序是我们的任务之一，但是完毕程序后还得仔细检查错误，一步一步的进行调试，直至完毕课题的控制规定，我把这次课程设计当作一个世纪实践，在完毕了课题的规定期，我对PLC的工作原理和使用方法有了深刻的理解，在对理论的运用中，提高了我们的学习能力，在实际模拟中，也提高了我的动手能力。
在程序的编写过程和反复模拟的过程中，把脑子几乎搞崩溃了，不是一个个不留意惹下的错误，就是编程的时候思维和计算机思维不相同烙下的毛病，我感觉书本是远远不能和实践相比的，通过这一次课程设计，我清楚的知道了，要想真的学到东西，不只是在课本上，必须要把课本的知识运用于时间，通过自己手努力做过的东西会记忆更加深刻，这才算自己真正学到了有用的只是。只是纸上谈兵不行。
通过这几个周的课程设计，不懂的就请教老师和同学，我学到了不少的知识，不仅纠正了课程学习过程中出现的许多错误，还在实验中了解了以前觉得好奇的东西。在学习的过程中有失败，当然也有困惑，但是当模拟成功那一刻，心里百分喜悦。虽然只是课程设计，但我学习态度很重要，认真对待了能学到知识觉得很骄傲，能结识到自己的过错和局限性也是一件幸事，做学问也是做人，在做学问的过程中体味做人的道理也是一种收获，希望这次学习只是我PLC学习的开始，也算是启蒙吧！我必将更加努力的学习它完善自己。我想这就是我学习这门课的最大感受吧！

参考文献

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