机电一体化实训台加工单元控制系统设计及软件编程说明书.doc

机电一体化系统设计机电一体化系统设计 课程设计说明书课程设计说明书 题目：机电一体化实训台加工单元控制系统设计及软件编 程 学生：张强学生：张强 班级：机班级：机 072072 学号：学号：30702110533070211053 目录 目 录 一、一、 机电一体化系统的发展现状机电一体化系统的发展现状-2 1.1 定义-2 1.2 机电一体化的产生与应用 -2 1.3 机电一体化的发展现状-2 1.4 机电一体化的发展趋势-3 二、二、 机电一体化课程设计的目的与要求机电一体化课程设计的目的与要求-4 2.1 课程设计的目的-4 2.2 课程设计的要求-5 三、三、 机电一体化课程设计的内容与任务机电一体化课程设计的内容与任务-5 3.1 机电一体化课程设计的内容-5 3.2 机电一体化课程设计的任务-6 四、四、实验台系统实验台系统加工单元分析及设计加工单元分析及设计-6 4.1 机电一体化系统的设计原则-6 4.2 机电一体化系统的设计步骤-7 4.3 加工单元的设计方案-8 五、五、 加工单元的动作过程加工单元的动作过程-9 六、六、 加工单元（六站）输入输出分配表加工单元（六站）输入输出分配表-10 七、七、 元器件的选型说明元器件的选型说明-11 7.1 PLC 选型-11 7.2 传感器选型-13 7.3 电磁继电器选型-15 7.4 电磁换向阀选型-16 八八、 加工单元的程序编制加工单元的程序编制-16 8.1 STEP 7编程软件简介-16 8.2 梯形图基本编程符号及其功能-17 九九、参考文献参考文献-18 总结总结-19 附件附件 1：加工单元程序梯形图加工单元程序梯形图-20 附件附件 2：加工单元程序语句表加工单元程序语句表-28 前言 1 前前 言言 自动化生产线实训系统是专为提高学生动手能力和实践技能而 设计、生产的一套实用性实训设备。该系统囊括了电气自动化等专 业学习中所涉及的诸如机械传动、电机驱动、气电动控制、气动控 制、PLC 控制、传感器等多种技术,给学生提供了一个典型的把所学 专业知识加以综合应用的操作和实现平台,使学生能够全面掌握和加 深理解学过的知识,提高动手能力,以达到利用所学专业知识解决实际 问题的教学培养目标。 一 机电一体化系统的发展现状 2 一一 、机电一体化系统的发展现状机电一体化系统的发展现状 1.1 定义定义 机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上 引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。 1.2 机电一体化的产生与应用机电一体化的产生与应用 20 世纪 60 年代以来，人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性 能后，刺激了机械产品与电子技术的结合。计算机技术、控制技术、通信技术 的发展，为机电一体化的发展更进一步奠定了技术基础。20 世纪 80 年代末期， 机电一体化技术和产品得到了极大发展。各国均开始对机电一体化技术和产品 给以很大的关注和支持，20 世纪 90 年代后期，开始了机电一体化技术向智能 化方向迈进的新阶段，机电一体化进入了深入发展时期。光学、通信技术等进 入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中展露头脚，出现了光机电一 体化和微机电一体化等新分支。我国从 20 世纪 80 年代开始开展机电一体化研 究和应用。取得了一定成果，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进 步。机电一体化已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发 展，还将被赋予新的内容。 1.3 机电一体化的发展现状机电一体化的发展现状 第一阶段：20 世纪 60 年代以前，也称初级阶段。在这一时期，人们利用 电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间， 战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为 民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于 自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术 的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。 第二阶段：20 世纪 70 年代80 年代，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计 算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。 大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提 供了充分的物质基础。 第三阶段：20 世纪 90 年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈 进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入 了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中展露头脚，出现了光机电一体 化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和 集成方法、机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于 人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，更为机电一 体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完 整的基础和逐渐形成完整的科学体系。我国是从 20 世纪 80 年代初才开始在这 一 机电一体化系统的发展现状 2 方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863 计 划”中。在制定“九五” 一 机电一体化系统的发展现状 3 规划和 2010 年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和 由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术 的发展及应用也做了大量的工作，虽然取得了一定成果，但与日本等先进国家 相比仍有相当差距。 1.4 机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 （一）智能化 智能化是 21 世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在 机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要 应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上， 吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力 学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决 策等能力，以求得到更高的控制目标。机电一体化产品不可能具有与人完全相 同的智能。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或 人的部分智能。 （二）模块化 模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁 多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一 体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、 电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元， 以及各种能完成典型操作的机械装置。这样可利用标准单元迅速开发出新产品， 也可以扩大生产规模，制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。从电 气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化 单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带 来美好的前程。 （三）网络化 计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学 技术、工业生产等领域都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成 一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功 能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远 程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。 现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势，利用家庭网络将各种家用 电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里分享各种高 技术带来的便利与快乐，因此机电一体化产品朝着网络化方向发展是为大势所 趋。 （四）微型化 微型化指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势，国外称其为 微电子机械系统（MEMS） ，泛指几何尺寸不超过 1cm 的机电一体化产品，并 向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，具有不 可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品 的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术。 一 机电一体化系统的发展现状 3 （五）绿色化 工业的发达给人们生活带来了巨大变化。物质丰富，生活舒适；另一方面， 二 机电一体化课程设计的目的与要求 4 资源减少，生态环境受到严重污染。于是人们呼吁保护环境资源，回归自然。 绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设 计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求， 对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品， 具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环 境，报废后能回收利用。 二 、机电一体化课程设计的目的与要求机电一体化课程设计的目的与要求 机电一体化系统的硬件一般由机械主体部分、传感器、信息处理、计算机 及电路部分和执行元件等构成。数控机床、工业机器人、三坐标测量机、电子 称、邮件自动处理机以及门类繁多的家用自动化智能化装置等都是机电一体化 产品。它们的设计内容和设计方法大同小异，基本上归纳为以下几个方面： （1）采用微型计算机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制。主要考虑计 算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制。 （2）选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑电动机的选择及驱动 力矩的计算及控制电动机电路的设计。 （3）精密执行机构的设计。主要考虑数控机床工作台传动装置的设计问题。要 弄清机构或机械执行的主要功能（如传递运动、动力、位置控制、微调、精密 定位或高速运转等） ，进行力（力矩） 、惯性（转动惯量） 、加（减）速控制和误 差计算。提出装配图和零件加工图。提出对电动机驱动和计算机控制要求。 （4） 采用传感器进行反馈控制或作为测量敏感元件。 2.12.1 课程设计的目的课程设计的目的 机电一体化系统设计是机电一体化专业的一门必修课程，是机械技术与 电子技术的有机结合，本课程设计的目的是使学生能在传统机电产品更新换代 和新的机电一体化产品研制开发领域掌握必要的实验技能。培养学生对机电一 体化产品的设计能力，主要包括以下几方面： （1） 通过课程设计，理解机电一体化系统设计的基本知识；建立正确的 设计思想； （2） 掌握元部件的正确选择方法和特性参数的实验方法；学会运用手册、 标准、规范等资料； 三 机电一体化课程设计的内容与任务 5 （3） 了解机电一体化系统的基本工作原理和运动控制方法； （4） 能在教师的指导下，运用所学的先修课程的知识，分析问题、解决 问题； 2.22.2 课程设计的要求课程设计的要求 进行系统工作原理的学习、完成控制系统设计、实现某一具体功能的软件 编程。 总体工作量： （1）1 张机电一体化实训操作系统装置的控制系统流程图。 （2）12 张机电一体化实训操作系统装置的电器原理图（包括控制系统原理 图、驱动电路图） 。 （3）12 张机电一体化实训操作系统装置的气路原理图及传感器布局图。 （4）PLC 程序软件编制。 三、机电一体化课程设计的内容与任务三、机电一体化课程设计的内容与任务 3.1 机电一体化课程设计的内容机电一体化课程设计的内容 机电一体化系统的硬件一般包括机械主体部分、传感器、信息处理、计算 机及电路部分和执行元件等构成。数控机床、工业机器人、三坐标测量机、自 动检测机、电子称、自动售票机、自动绘图机等，都属于机电一体化产品。本 课程设计主要进行机电一体化实训台控制系统设计，该控制系统由 8 个单元组 成：它们是储料单元、翻转送料单元、尺寸检测单元、材质检测单元、机械手 送料单元、加工单元、搬运单元、分检单元。每个单元有各自动作特点和要求， 可成组编程，也可以单元分步编程，其工作任务是将 20x25 的工件由原料仓 库取出，经过质量检测，材质检测，然后对非金属工件进行加工，最后按材料 的不同将加工过的工件进行分捡。同时在几个工作单元之间配以不同形式的工 件传送装置最终完成一整套工作及工艺过程。 第 6 站：加工单元 动作过程： 当工件被送到锁紧槽后，拉缸向后，将工件锁紧，然后钻机启动，并缓慢 下降，当到达规定位置后钻机上升，升至顶端后停转，这时拉缸复位向前，并 三 机电一体化课程设计的内容与任务 5 发出 四 试验台系统加工单元分析及设计 6 信号，将控制权移交给下一站。 动作要求： - 钻机旋转 - 钻机上下运动 - 锁紧槽锁紧（既拉缸向后）后，钻机才能旋转并下降 - 锁紧槽释放后要发出一个信号给下一站 3.2 机电一体化课程设计的任务机电一体化课程设计的任务 1.根据机电一体化实训台加工单元系统要完成的任务，拟定工作过程的运动 方案，包括构成传动链的各个传动机构、各机构需要完成的运动及各运动 之间的配合等；根据整个系统及各单元的工作要求，确定电控系统、气动 系统的相关参数；合理选择各元器件的型号，拟定系统设计方案。 2.在上面工作的基础上，根据题目内容，绘制机电一体化实训台加工单元的 控制系统原理图、控制系统接线图、气路原理图及传感器布局图。 3.掌握 PLC 的编程方法，确定程序功能实现方法，画出程序流程图，完成编 程。 四、实验台系统加工单元分析及设计四、实验台系统加工单元分析及设计 4.1 机电一体化系统的设计原则机电一体化系统的设计原则 机电一体化系统的设计应满足以下四个基本原则： 四 试验台系统加工单元分析及设计 7 1. 最大限度地满足工艺流程和控制要求.工艺过程的特点及要求是开发 PLC 控制系统的主要依据.设计前,应深入了解储料系统的工作原理,收集资料, 明确控制任务. 2. 监控参数,精度要求的指标以满足实际需要为准,不宜过多,过高,力求使 控制系统简单,经济,使用及维修方便,并可降低系统的复杂性和开发成本 3. 保证控制系统的运行安全,稳定,可靠.正确进行程序调试,充分考虑环境 条件.选用可靠性性较高的 PLC,定期对 PLC 进行维护和检查等都是很总要和必 不可少的. 4. 考虑到生产的发展和工艺的改进,在选择 PLC 容量时,应适当留有余量. 4.2 机电一体化系统的设计步骤机电一体化系统的设计步骤 与常规机械产品的设计方法相比较，机电一体化产品的设计有着本质上的 区别。常规机械产品一般是先用单纯机械设计的方法构思和设计，再为这个纯粹 的机械设计选配适宜的电气设备。这种方法实际上是面向设计者的传统设计方 法。 相比之下，机电一体化的设计要求设计者必须同时具备各门工程技术和电 子技术以及自动控制等多种技术，必须综合运用这些技术来解决设计中的问题。 机电一体化产品的设计是面向产品的设计，它要求设计者具有综合能力、视野开 阔，具有综合利用机械设计和电气控制设计方面的知识和能力，机电一体化产品 的设计通常由多个环节相互配合而构成。机电一体化设计的步骤一般分为： (1) 产品可行性研究 通过实际调查和研究，掌握对所设计产品的市场需求，进行可行性论证，确 定产品设计的基本方案，其中包括预测投资总额、组成部件价格、产品的性能价 格比以及经济评价等。 (2) 基本设计阶段 在基本设计阶段要提出必需的主要技术，其中包括硬件技术和软件技术两 个方面。硬件包括产品的结构元件和控制元件，软件包括操作系统和控制系统。 在进行整个系统设计时，必须提出几个方案进行比较，从中选出较优的方案。 (3) 详细设计阶段 详细设计包括业务分工、程序设计、操作系统设计、工艺设计、外围设备设 四 试验台系统加工单元分析及设计 7 计、总体设计、控制系统设计、安全保护设计等。在开发性产品设计时，要拟定产 品的各项性能指标参数，通过计算选定所用的设备，从而进一步完成机构设计、 运动和性能设计以及控制设计等。 (4) 实际运行试验 这一阶段的工作主要包括产品工作性能检验和改进以及产品性能评价。产品 工作性能检验的目的是进行生产周期和生产率测定，进行故障分析的考察故障 时间等。改进是指对产品存在的问题提出改进措施以提高产品的性能。产品的性 能评价包括技术评价、经济评价两个方面。这一阶段是产品设计过程的总结阶段， 目的是通过对已决定的操作系统的具体使用，检验其实际的使用价值。 在机电一体化产品设计过程中，要正确处理好质量与成本、市场需求与技术 可能性、长期发展和短期利益之间的关系，在满足市场需要的前提下，使产品具 有足够的竞争力，同时又要符合当前实际情况和技术可实现性，以保证产品获得 最大的技术经济效益和社会效益。 4.3 加工单元的加工单元的设计方案设计方案 本系统要实现对加工单元钻孔加工整个工作过程的控制，整个过程可分为 等待工件，模拟钻孔加工，钻孔及工件复位三个过程。本设计中用到了四个传 感器，分别用于控制钻头的行程，检测工作台是否到位，用户按下开始建，加 工单元进入工作运行模式。工作时通过传感器扫描的信号来执行与之对应的动 作，状态指示灯显示相应的工作状态。按下停止键，加工单元停止运行。 加工单元可以模拟钻孔加工过程，主要组成机构：钻孔模块，工作台模块， 继电器。 1. 钻孔模块 钻孔模块主要由钻孔气缸，钻孔电机等组成。钻孔模块用于实现钻孔加工 过程，钻头由旋转电机驱动，在钻孔汽缸的两端都安装有磁性开关，分别用于 判断汽缸运动的两个极限位置。 2. 工作台模块 工件工作台模块主要由直线运动工作台，工作台固定底盘，直线电机，定 位块，磁性开关，支架等组成。工作台上有锁紧夹，用于夹紧和放松工件。工 作台由直线电机驱动，汽缸的两端都安装有磁性开关，用于判断工作台的移动 位置，以便进行定位控制。 3. 继电器 五 加工单元的动作过程 9 继电器 K315 控制钻机的旋转，K316 负责向下一站传送信号 工作单元的执行机构是气动控制系统，其方向控制阀的控制方式为电磁控 制或手动控制。各执行机构的逻辑控制功能是通过 PLC 控制实现的。 设计方案：设计方案： 1. 输入是指给加工单元输入各种指令，让加工单元按照指令来进行运转。 2. 控制系统有硬件部分和软件部分。是加工单元自动运转的核心。由控制系统 来接收输入的信息，从而控制加工单元执行元件执行相应的动作。 3. 加工单元执行元件包括旋转电机，直线电机，钻头气缸等。其中旋转电机要 用交流伺服驱动器控制，直线电机需要差分信号转换版给其脉冲信号和方向 信号。差分信号抗干扰能力较强但对信号质量要求较高：钻头气缸的动作是 由电磁阀控制的。加工单元上电后由控制系统来给它们以命令，使各执行元 件完成其相应的动作。 4. 传感器扫描系统用来判断加工单元的工作状态，并将扫描到的信息反馈给控 制系统。 五、加工单元的动作过程五、加工单元的动作过程 1.第 5 站把工件放在第 6 的锁紧槽后，向六站发信号。 2.第 6 站接收到信号（I0.7）后，同时接收到第 4 站传来的材质信号，若是磁 性材料（I0.6）,直接传给第 7 站；若是非金属材料（I0.5） ，电磁阀 K110 通 电，拉缸锁紧，夹紧工件，同时电磁阀换位，驱动拉缸向后移动。 3.当汽缸活塞行至传感器 B110，停止，继电器 K315 通电，钻机旋转。 4.电磁阀 K19 通电，电磁阀换位，驱动拉缸向下缓慢移动。 5.当汽缸活塞到达传感器 B28，K19 断电，拉缸上升。 6.当汽缸到达传感器 B27，停止，继电器 K315 断电，钻机停止。 7.继电器 K110 断电，拉缸释放并驱动活塞复位，行至传感器 B29，停止。 8.延时，向下一站传送信号。 六 加工单元（六站）I/O 分配表 10 六六 、加工单元（六站）、加工单元（六站）I/O 分配表分配表 输入输出序 号 名称代号信号地址名称代号信号地址 1启动/停止SA1I0.0钻机下降K19Q0.0 2复位S1I0.1拉缸锁紧K110Q0.1 3单步S2I0.2钻机旋转K315Q0.2 4手动/自动SA2I0.3向后站传送K316Q0.3 5非金属材料I0.5 6磁性材料I0.6 7第五站信号I0.7 8钻机在高位B27I1.0 9钻机在低位B28I1.1 10拉缸锁紧位置B210I1.2 11拉缸释放位置B29I1.3 七 元器件的选型说明 11 七、七、元器件的选型说明元器件的选型说明 7.1 PLC 选型选型 7.1.1 PLC 选型的基本方法选型的基本方法 PLC 选型的基本方法可归纳为以下几点： 1.输入输出（I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展 余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需 根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 2.存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是 存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。 设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的， 需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采 用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式， 大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此 数为内存的总字数（16 位为一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。 3.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理 速度等特性的选择。 运算功能 简单 PLC 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通 PLC 的运算功 能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送 等；大型 PLC 中还有模拟量的 PID 运算和其他高级运算功能。随着开放系统的 出现，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些 产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据 通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。 大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和 比较，当用 七 元器件的选型说明 11 七 元器件的选型说明 12 于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和 PID 运算等。要显示数 据时需要译码和编码等运算。 控制功能 控制功能包括 PID 控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据 控制要求确定。PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路 或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成 所需的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。 4. 机型的选择 PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安 装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用 角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 7.1.2 加工单元加工单元 PLC 选型选型 依据加工单元的工作过程，以及输入和输出的总点数，并考虑到 I/O 点数 估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20% 的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂 商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。结合储料单元的输入输出点数 少于 150 个一下，模拟量少于 16 个以下，可以选择 S7-200 系列的 PLC。本工 作台有 11 个输入，考虑到余量和工作电压选一个 CPU224，24DI/16DO。 具体参数：集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模 块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数 据存储空间。6 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出， 具有 PID 控制器。1 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议 和自由方式通讯能力。供电方式选择为 220VAC。选用 STEP 7-MicroWIN V4.0 编程软件进行编程 。 PLC 与继电器得比较： plc 是虚拟化、电子化的继电器控制电路，它把继电器控制系统里复杂的实 物线路用虚拟的电子线路来实现了。而继电器是一种电子控制器件，它具有控 制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制 电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电 七 元器件的选型说明 12 路中 七 元器件的选型说明 13 起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。故而，继电器控制线路要实现一 个功能除了输入和输出外中间需要大量的实物元器件来进行连接，而 plc 则节 省了中间元器件，采用软件的方法来实现。PLC 控制的功能比继电器控制的多， 像模拟量的控制，微积分的控制等等，可以方便的修改程序，改变控制方法和 控制对象，这是继电器控制的缺点。继电器控制只能实现一些简单的逻辑控制。 继电器控制系统适用于简单一些的逻辑控制，而 PLC 可以实现更复杂的逻辑控 制。 7.2 传感器选型传感器选型 7.2.1 传感器选型的原则：传感器选型的原则： 机械式行程开关 行程开关又称限位开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简 称静物)上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时， 开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关 接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。 本系统选择该种行程开关用于判断料板上有无工件。当顶杆把工件推送到 料板上时，限位开关闭合，发出高电平信号，第二站来方可取工件。为了便于 控制系统采样和方便接线，行程开关的触点电压为 24VDC。 反光板反射式光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反 射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。 正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检 测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。 发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测 物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切 断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体 结构的限制一般只有几厘米。 对射式光电开光 七 元器件的选型说明 13 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个 收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。它 的检 七 元器件的选型说明 14 测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路 径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 反光板反射式光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反 射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。 正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检 测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 扩散反射式光电开关 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常 情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光 部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。 行程开关 行程开关又称限位开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简 称静物)上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时， 开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关 接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。 电容式接近开关 电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常 是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关 时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随 之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并 不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数 的物 体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般 调节电位器使电容式的接近开关在 0.7-0.8Sn 的位置动作。 7.2.2 加工单元传感器的选型加工单元传感器的选型 根据以上传感器的工作原理及其工作方式，再参照加工单元的工作原理， 选择传感器如下： 型号：CHELIC CS-30E 205 气立可 CS 系列 适用电压：DC,AC 4 -240V 适用电流 50 - 40mA 接触型式：常闭式 使用温度-1060 oC 升降气缸顶杆的上极限和下极限，驱动水平工作台的气缸顶杆的前极限和 后极限分别靠两个电磁感应开关控制，用于检测活塞的行程位置，所以选用电 七 元器件的选型说明 14 容式接近开关，当顶杆到极限位置时，接触电容发生变化，由此控制开关的通 断。 七 元器件的选型说明 15 7.3 电磁继电器选型电磁继电器选型 7.3.1 电磁继电器的选型方法及其分类电磁继电器的选型方法及其分类 电磁继电器是自动控制电路中常用的一种元件。实际上它是用较小电流控 制较大电流的一种自动开关。因此，广泛应用于电子设备中。电磁继电器一般 由一个线圈、铁芯、一组或几组带触点的簧片组成。触点有动触点和静触点之 分，在工作过程中能够动作的称为动触点，不能动作的称为静触.当线圈通电以 后，铁芯被磁化产生足够大的电磁力，吸动衔铁并带动簧片，使动触点和静触 点闭合或分开；当线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁返回原来的位置，动触点 和静触点又恢复到原来闭合或分开的状态。应用时只要把需要控制的电路接到 触点上，就可利用继电器达到控制的目的。继电器的触点有三种基本形式： 1动合型(H 型)线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。 以合字的拼音字头“H”表示。 2动断型(D 型)线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。 用断字的拼音字头“D”表示。 3转换型(Z 型)这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点， 上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭 合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状 态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点，用“转”字的拼音字头“Z”表 示。 7.3.2 加工单元加工单元电磁继电器的选型电磁继电器的选型 根据上面传感器的工作原理以及继电器的触点的工作方式，再结合加工单 元要实现的动作方式，得出电磁继电器的选择如下: 1.控制电路的条件 控制电路的电源电压为 220V，能提供的最大电流为 10A； 被控制电路中相关元器件的控制电压为 24V； 被控电路需要 2 组 H 形式的触点。选用继电器时,以控制电路的电源电压 可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电 器吸合是不稳定的。 七 元器件的选型说明 15 2.查阅有关资料及使用手册确定继电器的型号和规格为： 型号：HHC68B 触点形式：1H、1D、1Z 触点负载：10A 125VAC 7A 24VDC 八 加工单元的程序编制 16 7A 240VAC 电阻：=1000VAC 绝缘电阻：=1000M 环境温度：-45+55 机械寿命：107 电气寿命：105 额定电压：DC6220V AC6380V 吸合电压：DC=15% AC=35% 功耗：DC=0.9W AC=1.2W 7.47.4 电磁换向阀选型电磁换向阀选型 加工单元控制系统借助电磁阀控制气动元件的动作过程。利用电磁阀中电 磁铁的吸力推动阀芯动作实现回路流通,或者改变方向。这类阀操作方便,布置 灵活,易实现动作转换的自动化,所以气动部分选用电磁阀而不选用液动阀。在 工作台气动系统中,气缸的推出与收回,气体需要换向,所以选用换向阀。气动系 统动作时,气路要接在常开接点上,而且气缸的推出与收回需要两个气动回路,所 以选择二位五通阀。电磁阀工作电压为 24V。 综上所述，最终选择的型号为XG 4V210-08 单线圈二位五通电磁换向阀，气控阀，单电控，一端是弹簧复位，一端是 电磁铁 P 是进气，R 和 S 是排气 ，A 和 B 是两个出气口， 工作压力： 0.150.8MPa 工作温度： 550 最高动作频率：每秒 5 次 标准电压：DC：24V 连接形式：螺纹 接口螺纹：G1/4 工作介质：过滤空气 八、加工单元的程序编制八、加工单元的程序编制 8.1 STEP7 编程软件简介编程软件简介 STEP 7 编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7 和基于 PC 的 WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是 SIMATIC 工业软件的重要组成部分。 STEP 7 具有以下功能：硬件配置和参 数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能 等。STEP 7 的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象， 八 加工单元的程序编制 16 按 F1 可以得到该对象的在线帮助。 八 加工单元的程序编制 17 在 STEP 7 中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。 STEP 7 用 SIMATIC 管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7 和 WinAC 的数据。实现 STEP 7 各种功能所需的 SIMATIC 软件工具都集成在 STEP 7 中。以 STEP 7 中梯形图的编制为例 ,说明梯形图 编程的注意事项 如下： 能流只能从左边的母线流向右边母线。 继电器触点和线圈只能作为水平元件使用。 网络中，最右一列只能放置线圈。 线圈如放在其它列，其右边不能放置任何指令。 线圈在梯形图程序中只能使用一次，但作为该线圈的触点，可以在 梯形图中多次使用。 若梯形图中串联或并联的指令数超过网络规定的数值时，必须使用内部继电器经 分段组合来完成 8.28.2 梯形图基本编程符号及其功能梯形图基本编程符号及其功能 当其初始地址输入状态为 1 时，输出为 1 当地址输入状态为 0 时，输出为 0 当其初始地址输入状态为 0 时，输出为 1 当 其初始地址输入状态为 1 时，输出为 0 当该符号前的 RLO 得值为 1 时，输出为 0 当该符号前的 RLO 得值为 0 时，输出为 1 当输入有状态时，其逻辑操作结果就为1 当输入没有状态时，其逻辑操作结果就为0 临时变量，保存逻辑操作位的结果并向下输出 ，也称 为连接符 九 参考文献 18 九九 、参考文献、参考文献 1机电一体化系统设计课程设计指导书 2电气控制与 PLC 应用技术 胡晓林，廖世海主编 北京理工大学出 版社 2010 3电工手册 何利明等编著 北京:中国建筑工业出版社 2002 4PLC 原理及应用 张国德、李红主编 北京: 机械工业出版社 2010 5机电一体化设计基础 郑堤主编 北京:机械工业出版社 1997 6机电一体化系统设计 曾励主编 北京:高等教育出版社 2004.4 7机电一体化系统设计 （第二版） 张建民等编著 北京:高等教育出版 社 2001.8 总结 19 总结总结 时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易，离校日期已日趋 临近，从开始进入课题到论文的完成，一直都离不开老师、同学对我的热情帮助，在这里 请接收我诚挚的谢意。 本次课程设计是在孔令飞老师的悉心指导下完成的。在课程设计的整个过程中，孔老 师认真负责的带领我们小组分阶段一步一步的进行设计，给予了我细致入微的指导和很大 的帮助，使我能够按时完成任务。课程设计的圆满完成与老师的关怀与帮助是息息相关的。 在设计的开始，孔老师对整个环节进行了耐心的讲解。由于知识水平的局限性，在设 计的过程中，我不可避免的遇到许多困难。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学 到过的知识，于是图书馆和 INTERNET 成了我们很好的助手。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 使我受益匪浅。 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。 通过这次设计实践，我学会了 PLC 的基本编程方法，对 PLC 的工作原理和使用方法也 有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我的工程素质，在没有做实践设计以前， 我对知识的掌握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我把自己想出来的程序输入到 PLC 中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。通 过解决一个个在调试中出现的问题，我对 PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。 通过此次课设，让我对 plc 梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了 解了关于 PLC 设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。 虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到 问题和同学互相讨论交流，多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题， 这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样 也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技 术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法， 在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。 在此，感谢孔老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！ 对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是 一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！ 总结 19 附件 1 梯形图 20 附件附件 1： 梯形图梯形图 主程序主程序： 子程序：子程序： 附件 1 梯形图 21 附件 1 梯形图 22 附件 1 梯形图 23 附件 1 梯形图 24 附件 1 梯形图 25 附件 1 梯形图 26 附件 2 语句表 28 附件 2 语句表 28 附件附件 2： 语句表语句表 主程序：主程序： 网络 1 零位安全保护 LDN 启动_停止 AN 复位 AN 单步执行 AN 自动_手动 O 零位保护 = 零位保护 网络 2 本站 S7-200 控制 LD 本地控制 O SM0.0 A 零位保护 CALL manual 网络 3 上位 PLC 远程控制 LD 远程控制 A 零位保护 CALL auto 子程序：子程序： 网络 1 连续启动条件 LDN 复位 AN 单步执行 A 自动_手动 A 钻机在高位 AN 拉缸锁紧位置 A 第五站信号 A 拉缸释放位置 = 连续启动条件 网络 2 连续启动 LD 启动