机械手plc课程设计.doc

目 录
1 课程设计目的
2 机械手工作过程及控制要求
2.1 机械手的工作过程
2.2机械手的控制要求
3 机械手的系统设计
3.1PLC的选择
3.2热继电器的选择
3.3熔断器的选择
3.4主电路的设计
3.5输入输出点的地址分配
3.6机械手程序设计（见附录）
4总结
5 参考文献
附录

1 课程设计目的
机械手采用PLC控制技术，大大提高了系统的自动化程度，提高了控制系统的可靠性。根据系统的控制要求综合运用了PLC技术，编程软件，机械手的电气控制系统进行课程设计，为机械手在实际应用中控制系统的设计提供借鉴。
根据工业机械手常规操作运行的特点画出时序图，根据画出的时序图以及各种综合情况选择PLC 型号，进行硬件系统的设计，根据PLC硬件系统及内部资源并画出工业机械手自动控制装置的硬件系统图。
根据工业机械手的运行特点和要求利用所学的PLC的基本指令进行程序设计。
根据设计的PLC硬件系统图进行接线，利用STEP-Micro/WIN32编程软件将程序输入到PLC进行上机操作，直至调试正确。
通过编程及调试程序，了解掌握S7-200PLC的硬件构成及使用方法，摸索并积累编程的技巧经验，在调试中发现问题，分析问题，解决问题。
2 机械手工作过程及控制要求
2.1 机械手的工作过程
该机械手是一个水平、垂直位移的机械设备，其操作是将做工作台搬运到又工作台，由光耦合器VLC来检测左工作台有无工件。有工件才搬运，即使按下启动按钮，若检测到左工作台上无工件，系统也不能启动。图1是这种机械手的动作示意，其过程并不复杂，共6个动作，分3组，即上升、下降、左移、右移和放松加紧。

图1 机械手的动作示意图
机械手全部动作由气缸驱动，而气缸又由一、相应的电磁阀控制;左移和右移分别有左移电磁阀和右移电磁阀控制，当该线圈断电时，机械手放松如图2所示。
图2 机械手动作的流程图
2.2 机械手的控制要求
第一步是当工作台A上有工件出现时（可以由光藕合器VLC检测到，当检测到有工件时，VLC），机械手开始下降。当机械手下降到位时（可以由限位开关检测到，下降到位），机械手停止下降，第一步结束。
第二步是机械手在最低位开始抓紧工件，约10s抓住、抓紧，第二步结束。
第三步是机械手夹紧工件上升。当机械手上升到位时（可以由限位开关检测到，当上升到位时，I0.2=1），机械手停止上升，第三步结束。
第四步是机械手夹紧工件右移。当机械手右移到位时（可以由限位开关检测到，当右移到位时，I0. 3=1），机械手停止右移，第四步结束。
第五步是机械手在最右位开始下降。当机械手下降到工作台B到位时（可以由限位开关检测到，当下降到位时，I0. 1=1），机械手停止下降，第五步结束。
第六步是机械手开始放松工件，所需时间约为10s ，10s之后放开工件，第六步结束。
第七步是机械手开始上升。机械手上升到位时（可以由限位开关检测到，当上升到位时，I0. 2=1），停止上升，第七步结束。
第八步是机械手在高位开始左移，当左移到位时（可以由限位开关检到，左移到位时，I0. 4=1），机械手停止左移，第八步结束。机械手工作一个周期完成。等待工件在工作台A上出现转到第一步。
2.3.工作过程
按照设计要求机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动来完成的。
机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降→加紧工件→上升→右移→再下降→放松工件→在上升→左移总共八个动作，也就是一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是由时间来控制的。
为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，直到工件移走为止，否则等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。
3 机械手的系统设计
3.1 PLC的选择
从控制方式选择上需要3个启动按钮，分别完成自动方式I0.0、单动方式I0.5的启动，还需要一个停止按钮I1.4用来处理现在任何情况下的停止运行。机械手运行的限位开关有4个，高位限位开关I0.2、低位限位开关I0.1、左位限位开关I0.4和右位限位开关I0.3。手动控制输入信号由5个按钮组成，下降按钮I0.6、上升按钮I1.0、夹紧按钮I0.7、左移按钮I1.2和右移按钮I1.1。工作台A上有工件检测光耦合器VLC的输入信号。
输出信号有机械手下驱动信号Q0.0、上升驱动信号Q0.2、右移驱动信号Q0.4、左移驱动信号Q0.3和机械手夹紧驱动信号Q0.1，共有5个输出信号。
可选择S7-200系列的CPU224就可以满足要求。
3.2热继电器的选择
3.2.1热继电器的型选择：
一般情况下，可选用两相结构的热电器继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。
3.2.2热继电器额定电流的选择：
当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过6S时，就可按电动机的额定电流选取热继电器；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不答应停车时，热继电器的额定电流调节到电动机额定电流的1.1~1.15倍。
综上所述，选择NR3-45 0.32-21A热继电器、NR2-25G/Z 0.1-10A热继电器、NR3-25 0.1-8.5A热继电器。
3.3熔断器的选择
3.3.1 熔断器的类型选择
选择熔断器时类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。对大容量的照明线路和电动机，除过载保护以外，还应考虑短路时分断电路电路的能力。若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的或熔体为锌质的熔断器。用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力。
3.3.2熔断器额定电流的选择
用于保护多台电动机的熔断器，在出现尖峰电流时不应熔断。通常将其中容量最大的一台电动机启动，而其余电动机正常运行时出现的电流作为其尖峰电流。为此熔体的额定电流应满足关系式，为熔体的额定电流，为负责的额定电流。
综上所述，选择KS8/380~690V /16A熔断器或者KG8/380~690V /16A。
3.4主电路的设计
启动时首先要和上自动开关QA0，主电路引入三相电源。本次设计中所用电动机均为小容量的，故可直接启动，熔断器FA完成主电路的短路保护，热继电器BB完成过载保护，QA接触器实现失压保护。
3.5输入输出点的地址分配
输入输出地址分配
模块号
地址号
信号名称
说明
CPU224
I0.0
自动启动，“1”有效
按钮
I0.5
单动启动，“1”有效
按钮
I1.4
停止，“1”有效
按钮
I0.2
高位，
限位开关
I0.1
低位
限位开关
CPU224
I0.4
左位
限位开关
I0.3
右位
限位开关
I0.6
手动下降
按钮
I1.0
手动上升
按钮
I0.7
手动夹紧
按钮
I1.2
手动左移
按钮
I1.1
手动右移
按钮
Q0.0
下降
电磁阀
Q0.2
上升
电磁阀
Q0.3
右移
电磁阀
Q0.4
左移
电磁阀
Q0.1
夹紧
电磁阀

Q0.5
原位
指示灯
3.6机械手程序设计（见附录）
4 总结
机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。
对于控制程序的编写，是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，可以选用不同的方法来编写程序。
机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。
随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机器人”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。

参考文献
[1] 肖俊明 杨涟 陈玉国. 工厂电气及PLC课程设计指导书. 中原工学院电子信息学院，2012.5
[2] 王永华 陈玉国. 现代电气控制及PLC应运技术. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.9
[3] 廖常初. PLC编程及应用. 北京：机械工业出版社，2003.7
[4] 陈立定. 电气控制与可编程控制器. 华南理工大学出版社，2001
[5] 于庆广. 可编程控制器原理及系统设计. 北京：清华大学出版社，2004.4

附录

机械手主电路

机械手
Network 1 // 网络标题
// 单周期/循环
LD I0.0
O M0.0
O M2.0
AN I0.5
AN M2.5
= M0.0
Network 2
// 置位初始状态
LD SM0.1
S S0.0, 1
Network 3
LSCR S0.0
Network 4
// 原位指示灯
LD I0.2
A I0.4
AN Q0.1
= Q0.5
Network 5
// 启动/转移
LD I0.0
O M2.0
SCRT S0.1
Network 6
SCRE
Network 7
LSCR S0.1
Network 8
// 下行
LDN I0.1
AN I1.3
AN M2.6
= M1.0
Network 9
// 下限/转移
LD I0.1
SCRT S0.2
Network 10
SCRE
Network 11
LSCR S0.2
Network 12
// 抓取/延时
LD SM0.0
S Q0.1, 1
TON T37, 100
A I1.4
R Q0.1, 1
Network 13
// 延时转移
LD T37
SCRT S0.3
Network 14
SCRE
Network 15
LSCR S0.3
Network 16
// 上行
LDN I0.2
AN I1.3
AN M2.6
= M1.1
Network 17
// 上限/转移
LD I0.2
SCRT S0.4
Network 18
SCRE
Network 19
LSCR S0.4
Network 20
// 右行
LDN I0.3
AN I1.3
AN M2.6
= M1.2
Network 21
// 右限/转移
LD I0.3
SCRT S1.0
Network 22
SCRE
Network 23
LSCR S1.0
Network 24
// 下行
LDN I0.1
AN I1.3
AN M2.6
= M1.5
Network 25
// 下限/转移
LD I0.1
SCRT S1.1
Network 26
SCRE
Network 27
LSCR S1.1
Network 28
// 松开/延时
LD SM0.0
R Q0.1, 1
TON T38, 100
Network 29
// 延时/转移
LD T38
SCRT S1.2
Network 30
SCRE
Network 31
LSCR S1.2
Network 32
// 上行
LDN I0.2
AN I1.3
AN M2.6
= M1.6
Network 33
// 上限/转移
LD I0.2
SCRT S1.3
Network 34
SCRE
Network 35
LSCR S1.3
Network 36
// 自动左行
LDN I0.4
= Q0.4
Network 37
// 左限/单周期/循环
LD I0.4
LPS
A M0.0
SCRT S0.1
LPP
AN M0.0
SCRT S0.0
Network 38
SCRE
Network 39
// 自动下行输出
LD M1.0
O M1.5
= Q0.0
Network 40
// 自动上行输出
LD M1.1
O M1.6
= Q0.2
Network 41
// 自动右行输出
LD M1.2
= Q0.3
Network 42
// 手动下行输出
LD I0.6
O M4.0
O Q0.0
AN I1.0
AN M4.1
= Q0.0
Network 43
// 手动抓放输出
LD I0.7
O M3.1
O Q0.1
= Q0.1
Network 44
// 手动右行输出
LD I1.1
O M4.3
O Q0.3
AN I1.2
AN M4.2
= Q0.3
Network 45
// 手动左行输出
LD I1.2
O M4.2
O Q0.4
AN I1.1
AN M4.3
= Q0.4
Network 46
// 手动上行输出
LD I1.0
O M4.1
O Q0.2
AN I0.6
AN M4.0
= Q0.2
Network 47
LD I1.4
O M2.7
R Q0.1, 1