PLC光源机械手课程设计.docx

摘 要
机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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。
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。PLC控制的机械手在生产中起到了相当大的作用，在生产过程中由于引进了PLC控制的机械手使生产可以实现自动化的批量生产，加快了生产过程，节约了生产时间，降低了生产成本。机械手采用PLC控制，具有可靠性高，改变程序灵活等优点。无论进行时间控制还是控制或混合控制，都可以通过设置PLC的程序实现。可以根据机械手的动作顺序改变程序，是机械手通用性更好 。
随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识，同时对其要求也越来越高。可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一
本设计主要利用S7-200系列PLC实现机械手的基本动作的控制，论文对 PLC做了简单的介绍，分析了工作流程，然后按要求对机械手的程序进行了设计，设计出了功能图，并根据功能图设计出了梯形图，最后在实验室中对程序进行了调试，并且调试成功。

关键词：PLC；机械手；梯形图

目录
Ⅰ
第1章 概述……………...…...………………...………………………………………...........................1
1.1 PLC的介绍……...………...........................................................................................1
1.2 机械手背景介绍.................................................................................................1
1.3课题的控制要求..................................................................................................2
1.4 课题研究的意义.................................................................................................2
第2章 硬件设计......................................................................................................4
2.1 PLC的选择 ....................................................................................................4
2.2 光电式传感器 ....................................................................................................4
2.3 开关.....................................................................................................................4
2.4电磁阀 ............................................................................................................5
2.5 PLC的I/O地址分配及外部接线........................................................................5
第3章 软件设计......................................................................................................8
3.1系统流程图..........................................................................................................8
3.2 系统功能图 ...................................................................................................10
3.3 梯形图 ...........................................................................................................12
3.4 指令语句表........................................................................................................13
3.5 工作过程分析...................................................................................................14
第4章 心得体会.....................................................................................................16
参考文献...................................................................................................................17

第1章 概述
1.1 PLC的介绍
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。在组成结构上，PLC具有一体化结构和模块式结构两种模式。在控制估摸上，PLC向小型化和大型化两个方向发展。
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

1.2 机械手背景介绍
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。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料。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。
机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好、提升工厂形象。
多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。

1.3 课题对机械手的控制要求
在光源机械中，上泡机械手的功能是从间歇运转的上泡盘上抓取泡壳，并将其送到运转的封口机上。为此，上泡机械手在一个工作循环中需要完成上升与下降，左旋与右旋，抓泡与放泡等一些列动作。
在自动化生产线上，工作开始后，上泡机械手在一个工作循环中需要按顺序依次完成以下动作：上升，左旋，下降，抓泡，上升，右旋，下降，放泡。采用PLC实现机械手运动的自动控制。它的工作过程如图所示，有八个动作，如图1-1所示。
原位
上升
左旋
下降
抓泡
上升
右旋
下降
放泡

图1-1 工作过程图

工作流程如下：
原位：表示设备处于初始状态，机械手在下限位置。
自动工作过程：启动→机械手上升→上限行程开关闭合→左行至左限位→左限位开关闭合→机械手下降至泡盘上方限位→下限行程开关闭合→抓泡延时→机械手上升→上限位开关闭合→右行至右限位→右限位开关闭合→机械手下降至封口机上方限位→下限行程开关闭合→放泡延时
1.4 课题研究的意义
由于机械手在生活中的大量运用，使得人类的生产率有了大幅的提高，同时也改善了我们的工作环境。让人类的生活变得越来越智能化。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
随着工业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业当中的重要支柱，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。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其是在高温、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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动不知疲倦、不怕危险、抓举重物的丽江比人手大的特点。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

第2章 硬件设计
2.1 PLC的选择
由于西门子公司的S7-200系列PLC可以满足多种多样的自动化控制的需要，其具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格及强大的指令系统，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性和可选择性。因此，本设计采用S7—200 PLC硬件系统。其组成采用整体式加积木式，即主机中包括一定数量的I/O端口，同时还可以扩展各功能模块。S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价格比。
2.2

光电式传感器
光电式传感器（photoelectric transduce），基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。光电测量时不与被测对象直接接触，属于非接触式测量。本实验是把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号，来检查物体是否通过。光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。本设计采用光电式传感器检测传送带是否有物体通过。
2.3 开关
采用的开关分为按钮开关与位置开关两种。
按钮开关在低压控制电路中用于手动发出控制信号。本设计采用两个，分别为启动开关、停止开关。
位置开关，又称限位开关，是一种将机器信号转换为电气信号，以控制运动部件位置或行程的自动控制电器。是一种常用的小电流主令电器。
作用：在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。
分类：一类为以机械行程直接接触驱动，作为输入信号的行程开关和微动开关；另一类为以电磁信号（非接触式）作为输入动作信号的接近开关。
位置开关是利用运动部件的行程位置实现控制的电器元件，常用于自动往返的生产机械中。其不靠手动而是利用运动部件上的挡块碰压而使触头动作而实现电路的切换，达到控制运动部件行程位置的目的。本设计采用5个，分别是上限位开关、下限位开关、左限位开关、右限位开关、光电开关。
（1）上限位开关。此限位开关用于控制机械手在整体上升时的位置。在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关，然后当机械手上升到可以接触到上升限位开关时，PLC就控制机械手停止上升。
（2）下限位开关。此限位开关用于控制机械手在整体下降时的位置。在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关，然后当机械手下降到可以接触到下限位开关时，PLC就控制机械手停止下降。
（3）左限位开关。此限位开关用于控制机械手在整体左旋时的位置。在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关，然后当机械手左旋到可以接触到左限位开关时，PLC就控制机械手停止下降。
（4）右限位开关。此限位开关用于控制机械手在整体右旋时的位置。在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关，然后当机械手右旋到可以接触到右限位开关时，PLC就控制机械手停止右旋。
（5）光电开关。此限位开关用于控制机械手在合适的位置抓取物体。在传送带工作平台的合适位置上安装好限位开关，然后到物品到达可以接触到限位开关时，PLC就控制传动带停止工作，机械手开始工作。
2.4电磁阀
电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。
它是一种根据运动部件的行程位置而切换电路工作状态的。电池阀的动作原理与控制按钮相似，在机械手设备中，事先将电磁阀根据工艺要求安装可以实现控制的足够量的电磁阀，部件在运行中，装在其上撞块压下行程开关顶杆，使电磁阀的触点动作而实现电路的切换，达到控制运动部件行程位置的目的。本设计采用9个电磁阀，分别是上升、下降、左旋、右旋、抓泡、放泡、抓紧、传动带停、传送带动。
2.5 PLC的I/O地址分配与外部接线
输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I/O地址分配以后才可以进行编程，对控制柜以及PLC外围
接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。PLC的I/O地址分配如表2-1所示。

表2-1 PLC的I/O地址分配表

输入
输出
I0.0
启动开关
Q0.0
上升电磁阀
I0.1
行程上限开关
Q0.1
下降电磁阀
I0.2
行程下限开关
Q0.2
左旋电磁阀
I0.3
行程左限开关
Q0.3
右旋电磁阀
I0.4
行程右限开关
Q0.4
抓泡电磁阀
I0.5
光电开关
Q0.5
放泡电磁阀
I0.6
停止开关
Q0.6
传送带停止

Q0.7
传送带工作

Q1.0
抓紧电磁阀

Q1.1
放松指示灯

在输入口I0.1到I0.4这4个输入口是机械手的限位控制，根据PLC主机CPU中的程序在机械手移到限位位置时控制机械手进行下一个动作。I0.0和I0.6分别是启动和停止开关，机械手根据该开关的动作执行开始或关闭。I0.5是检测物品的控制。Q0.0到Q0.5这6个输出口，是PLC的输出口用来控制机械手。Q0.6和Q0.7是PLC的输出口用来控制传送带是否需要工作。Q1.0是机械手抓紧电磁阀，Q1.1是机械手放泡的指示灯。

传感器，各电磁阀，指示灯，以及各个开关的接线如图2-1所示。

图2-1 I/O地址外部接线图

第3章 软件设计
3.1系统流程图
开始执行程序，机械手由原位开始上升动作，当达到上升到上限位时，上限位开关开启，机械手停止上升开始左旋，左旋到左限位，左限位开关开启，机械手下降，下降到下限位，下限位开关开启，执行夹紧，然后上升，机械手上升到上限位，上限位开关开启，机械手右旋，右旋到右限位，右限位开关开启，机械手下降，下降到下限位，下限开关开启，执行放松，如果按下停止，机械手执行完本次循环后归与原位。如果不按，则机械手继续循环。系统流程图如图3-1所示。

图3-1 系统流程图
3.2 系统功能图
根据系统流程图，所设计的系统功能图，如图3-2所示。

图3-2 系统功能图

3.3 梯形图
根据系统功能图，设计的系统梯形图，如图3-3所示。

图3-3 系统梯形图
3.5指令语句表
根据梯形图，所写出的指令语句表如下：

Network 1 // Network 5 //
LD I0.0 LD I0.3
O Q0.7 AN Q0.3
O Q1.1 AN Q1.0
AN I0.2 LD I0.4
AN I0.5 AN Q0.2
AN I0.6 A Q1.0
AN Q0.6 OLD
= Q0.7 A I0.1
Network 2 // O Q0.1
LD I0.5 AN I0.2
O Q1.0 AN Q0.0
O Q0.0 = Q0.1
AN I0.1 Network 6 //
AN I0.4 LD I0.2
AN Q0.1 A I0.3
= Q0.0 AN I0.1
Network 3 // AN Q0.5
LD I0.5 = Q0.4
O Q0.6 TON T37, 50
AN Q1.2 Network 7 //
AN Q0.7 LD T37
= Q0.6 O Q1.1
Network 4 // AN Q1.2
LD I0.1 = Q1.0
A I0.4 Network 8 //
O Q0.2 LD I0.1
AN Q1.1 A I0.3
AN I0.3 O Q0.3
AN Q0.3 A Q1.0
= Q0.2 AN I0.4
AN Q0.2
= Q0.3

Network 9 //
LD I0.2
AN I0.1
AN Q0.4
= Q0.5
TON T38, 50
Network 10
LD T38
A I0.2
A I0.4
= Q1.1
Network 11 //
LD I0.6
O Q0.6
AN Q0.7
= Q0.6

3.5 工作过程分析
机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将：向上——向左——向下——抓紧——向上——向右——向下——放松八个动作，完成一个工作周期返回原点。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的4个行程开关来控制的。
按下启动按钮，其工作过程分析如下：
(1) 检测物体
到没有检测到物体时，光电传感器“通”，光电开关断开，传送带运转。直到检测到物体，光电传感器“断”，光电快关闭合，传送带停止运转。
（2）、机械手上升
光电位置开关闭合，给出状态转移开始信号，因机械手已处于原位，输出继电器上升线圈接通，上升电磁阀得电，执行上升动作。同时，因机械手离开原位，下限位开关断开。
（3）机械手左旋
机械手上升到右上限位置，上限位开关、右限位开关闭合，输入点I0.1、I0.4接通，上升停止。输出继电器左旋接通，左旋电磁阀得电，机械手执行左旋动作。
（4） 机械手下降
当机械手左移到位，左上限位开关、上限位开关闭合，输入点I0.1、I0.3接通，左旋电磁阀断电，左旋停止，输出继电器下降线圈接通，下降电磁阀得电，执行下降动作。
（5）、抓紧工件，再次上升
当机械手下降到位，左下限位开关闭合，输入点I0.2、I0.3接通，下降电磁阀断电，下降停止；同时，接通抓紧电磁阀线圈，机械手执行抓紧动作，并延时5S，以防止为抓紧。抓紧动作由压力继电器控制，抓紧时，压力继电器触点闭合。同时，输出继电器上升线圈接通，上升电磁阀得电，机械手抓起工件上升。
（6）、机械手右旋
机械手上升到左上限位置，I0.1、I0.3接通，上升停止。输出继电器右旋线圈接通，右旋电磁阀得电，机械手执行右旋动作。
（7）、机械手再次下降
机械手左移动至右上限位置，I0.1、I0.4接通，右旋停止。输出继电器下降线圈接通，下降电磁阀得电，执行下降动作。
（8）、放松工件
当机械手下降到位，I0.2接通，下降停止。抓紧电磁阀断电，将工件放松，并延时5S，以防未放好，并且放松指示灯亮起。
（9）检测是否又有工件
若此时右传送带上无工件，则光电传感器检测信号输入使I0.5断开，传送带运行；若工作台上有工件，机械手重复上述动作。
（10）停止
按下停止按钮，系统停止工作。

第4章 心得体会
本次我做的基于PLC光源机械上泡机械手的设计，让我又一次重新温习了一边课本，明白了很多知道以前不知道的知识，也让我有了很大的收获，知道了知道在实践能力上的欠缺，知道了自己努力的方向了。通过1个多星期的努力，设计终于完成。这次设计给了我一个很好的机会，使我更加了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。
在这次的课程设计的过程中也遇到了很多的问题，特别是在单片机调试的时候感觉特别的不容易的，对亏老师和同学的帮助让我很快的解决了，真是感受颇多，感觉这次真是实践使理论知识与实际很好地相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识，在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。自学了许多相关学科的内容，上网和在图书馆查阅大量相关资料。对所设计内容、方法。学会了团队合作的精神以及刻苦学习的精神，学会一些课本没有提及到的东西。加强了理论知识与实践统一的能力，加强了自己动手操作能力。同时，也让我接触了很多书本之外的知识，大大地丰富了我的见闻，拓展了我的视野。由于PLC应用技术适用于很多领域。应用于各行各业，在做本次设计的同时也让我接触、学习了许多其他专业的领域知识，丰富了我的知识储备。

参考文献
[1] 陈建明. 电气控制与PLC应用. 电子工业出版社，2011
[2] 胡晓明. 电气控制及PLC. 机械工业出版社，2006
[3] 程周. PLC技术与应用. 福建科学技术出版社，2004
[4] 李中年. 控制电气及应用. 清华大学出版社，2006
[5] 冯辛安. 机械制造装备设计. 机械工业出版社，2005
[6] 廖常初. 可编程序控制器应用技术. 重庆大学出版社，2002