PLC对机械手搬物控制的电气设计.doc

毕业设计任务书一、设计题目 PLC对机械手搬物控制的电气设计二、设计目的1）掌握机械手动作流程。2）掌握电气控制元件的选择与计算方法。3）掌握PLC选择与应用三、设计要求两条传送带分别电动机驱动,机械手有液压驱动上下左右旋转两个方向运动,液压系统为1000W电动机。1）机械手由原位上升下降抓物上升右转下降放物结束。2）用常用的电气元件控制。3）有工作状态指示及照明。4）有必要的电气保护和连锁。四、完成的任务 要求说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀。（1） 设计与绘制电气控制原理图，元件布置图，接线图。（2） 毕业设计任务书（8000字以上）1） 设计题目2） 控制原理说明设计方案论证3） 主要器件选择依据与计算4） 元件明细表5） 设计总结及改进意见6） 主要参考资料五、参考文献工厂电气控制技术 机械工业出版社 主编 方承远工厂电气控制设备 机械工业出版社 主编 许廖机床电器控制技术 机械工业出版社 主编 王炳实可编程控制器的应用技术 机械工业出版社 主编 王兆义 可编程控制器的原理及程序设计 主编电子工业出版社 主编 崔亚军目录一 PLC简介-1.1 机械手的概述- 1.1.1 PLC的特点-1.1.2 PLC的应用与发展- 1.1.3.PLC的基本结构-二 PLC的选择与应用- 2.1 PLC的选择- 2.1.1 PLC的型号选择- 2.1.2 PLC的容量选择-2.2 PLC应用中应注意的问题-三 控制原理说明设计方案论证- 四 主要元件的选择与计算-五 机械手的动作流程-5.1机械手的工作要求-5.2机械手的操作面板分布图-5.3机械手的工作方式- 5.3.1编写手动操作运行程序和返回原位程序- 5.3.2编写自动运行程序- 六 元件与I/O接口明细表- 七 设计总结及改进意见- 八 参考文献-1 PLC的简介1.1 机械手的概述用于再现人手功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。工业机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1 控制机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。机械手的控制可采用以下几种方式：1）用继电器控制，这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功率消耗大，已逐渐被人们所淘汰；2）用微机控制，虽然它在智能控制方面有较大的功能，但它的抗干扰性差，系统设计比较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，广泛应用也不太容易；3）PLC控制，此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣环境的考验等优越性，已经成为在机械手控制系统中使用最多的控制方式。2控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。3工业机械手的发展趋势(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.1.1 PLC的特点上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。1.1.2 PLC的应用与发展1.可编程控制器的应用近年来，随着微处理器芯片及其有关原器件的价格大幅度下迭，PLC的成本也随之下降。与次同时，PLC的性能却在不断的完善，功能也在增多增强，使得PLC的应用已由早期的开关逻辑发展到现在工业控制的各个领域。根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为如下几种类型。1.开关逻辑控制。这是PLC最基本最广泛的应用领域。PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。2.模拟量控制。在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量，而PLC中所处理的是数字量，为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号，PLC中配置了A/D和D/A转换模块，将现场的温度、压力等模拟量经A/D转换变为数字量，经微处理器进行处理，微处理器处理的数字量又经D/A转换后，变成模拟量去控制被控制对象，这样可以实现PLC对模拟量的控制。3.闭环过程控制。运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。现代大、中型的PLC一般都配备了专门的PID控制模块，当控制过程中某一个变量出现偏差时，PLC就按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程，把变量保持在整定值是。PLC的PID控制已广泛地应用在加热炉、锅炉、反应堆以及位置和速度等控制中。4.定时控制。PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个定时器，其定时的时间可以由用户在编程用户程序是设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时或延时的控制。5.计数控制。计数控制也是控制系统不可缺少的，PLC同样也为用户提供了几十个甚至上百个计数器，设定方式如同定时一样。若用户需要对频率较高的信号进行计数，则可选择高数计数模块。6.顺序（步进）控制。在工业控制中，采用PLC实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序，也可以采用顺序控制的标准化语言顺序功能图编写程序，使得PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出时发、更加容易。7.数据处理。现代PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算和数据传输，而且还能进行数据比较、转换、显示和打印以及数据通信等。对于大、中型PLC还可以进行浮点运算、函数运算等。8.通信和联网。PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自动化。这是由于现代的PLC一般都有通信的功能，它既可以对远程I/O控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信，从而可以方便可靠地达成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。由此可见，PLC是实现工厂自动化的理想工业控制。2可编程控制器的发展目前，可编程控制器正向着两个不同的方向进一步发展。一个是向简易、廉价和超小型发展，以占领小型、分散和简单功能的工业控制市场，同时也便于适应机电一体化的要求。另一个方向是向大型化、高速度、多功能和分散型、多层次全自动化网络发展，这种系统不仅具有逻辑运算、计数、定时、数值计算、模拟量控制、监控、记录、显示、以及与计算机接口并作数据传送等一般功能，同时还具有中断控制、智能控制、过程控制和远程控制等高级功能，此外I/O的点数进一步扩大，最多已达3200点。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了可编程控制器的应用，目前我国已经可以生产中、小型可编程控制器。随着我国四个现代化进程的逐步深入，可编程控制器在我国将有十分广阔的天地1.1.3.PLC的基本结构一.可编程控制器的基本结构世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构大体相同，主要由中央处理器、存储器、IO接口、电源及编程设备几大部分构成。PLC的硬件结构框图所示1.中央处理器（CPU）中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部 各部分工作任务。可编程控制器中采用的CPU一般有三大类，一类为通用微处理器，如80286、80386等；一类为单片机芯片，如8031、8096等；另外还有为处理器，如AMD2900、AMD2903等。一般来说，可编程控制器的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，指令功能也越强。现在常见的可编程机型一般多为8位或16位机。为了提高PLC的性能，也有一台PLC采用多个CPU的。2.存储器 存储器是可编程控制器的存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。和一般计算机一样，可编程控制器的存储器有只读存储器(ROM)和随机读/写存储器（RAM）两大类。只读存储器是用来保存那些需永久保存的程序的存储器，即使机器掉电后其保存的数据也不会丢失，一般为掩膜只读存储器和可编程电擦写只读存储器。只读存储器用来存放系统程序。随机读/写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外界电源后也能保持，再哦实际使用中都为一些重要的随机读/写存储器配备了电池或电容等掉电保护装置。 可编程控制器的存储器区域按用途不同，又可分为程序区和数据区。程序区是用来存放用户程序的区域，一般有数千个字节。数据区是用来存放用户数据的区域，一般比程序区小一些。在数据区中，各类数据存放的位置都有严格的划分。由于可编程控制器是为熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用的，因此可编程控制器的数据单元都叫做继电器，如输入继电器、时间继电器、计数器等。不同用途的继电器在存储区中占有不同的 区域，为个存储单元有不同的地址编号。3.输入/输出接口 输入/输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入口是用来接受生产过程的各种参数。输出口是用来送出可编程控制器运算后得出的控制信号，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。由于可编程控制器在工业生产现场工作，对输入/输出接口有两个主要的要求，一是接口有良好的抗干扰能力，二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求，因而可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元。4电源可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。5.外部设备 编程器。可编程控制器的特点是它的程序是可变更的，能方便的加载程序，也可方便地修改程序，因此编程设备就成了可编程控制器工作中不可缺少的部分。可编程控制器的编程设备一般有两类，一类专用编程器，有手持的，也有台式的，还有的可编程控制器机身上自带编程器，其中手持式的编程器携带方便适合工业控制现场应用；另一类是个人计算机，在个人计算机上运行可编程控制器相关的编程软件即可完成编程任务，借助软件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去。二 PLC的选择与应用 2.1 PLC的选择(1)对输入 / 输出点的选择 要先弄清除控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15 20 留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC 的点数。在本设计中 I/O总点数为23，所以所需PLC点数需要在40以上。另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的 60 ；本设计中的输入点为18，所以PLC所需的输入点需要大于40。 PLC 每个输出点的驱动能力（ A/ 点）也是有限的，有的 PLC 其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般 PLC 的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的 PLC 。 (2)对 I/O 响应时间的选择 PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2 3 个扫描周期）等。对开关量控制的系统， PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。 (3)根据输出负载的特点选型 不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。本设计中的在负载都式动作不频繁的交、直流负载，因此选用继电器输出型的。继电器输出型的 PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。 (4)对 PLC 结构形式的选择 在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式，因此本设计选用的PLC为F1-40M。由于该模块采用交流220V供电，并且自带16个数字量输入点，完全能满足机械手移动工件控制系统的要求，因此不需要另外的电源模块、数字量输入/输出模块。F1系列PLC是三菱公司的高性能叠装式机种。可以分配不同的单元：基本单元、扩展单元和特殊单元。基本单元内含有CPU，存储器和I/O电路，要增加系统的I/O点数可联接扩展单元，增加系统的控制功能，则可以连接相应的特殊单元。在本系统中，配置基本单元就可以满足控制要求。不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。即选用F1-40M继电器输出型PLC作为机械手移动工件的控制系统。 2.1.1 PLC的型号选择机型选择的基本原则是满足控制功能的前提下,保证系统工作可靠,维护使用方便及最佳的性能性价比.1. 结构合理.对于工艺过程比较固定,环境条件较好,维修量较小的场合,选用单元式结构的PLC否则选用模块式结构的PLC. 2.功能强弱适当.对于开关量控制的工程项目,若控制速度要求不高,一般选用低档的PLC.对于以开关量控制为主带少量模拟量控制的工程项目可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块,以及具有加减除运算和数据传输功能的低档PLC. 2.1.2 PLC的容量选择1.对存储容量的选择 对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘 10 字 / 点输出总点数乘 5 字 / 点来估算，本设计中的开关量为830；计数器 / 定时器按（ 3 5 ）字 / 个估算，本设计中有一个定时器。最后，一般按估算容量的 50 100 留有裕量。2.应用程序的存储容量应用程序的存储容量是存放用户程序的存储趋的容量。通常用K字（KW），K字节（KB）或K位（Kb）来表示，1K=1024。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在一些文献中称PLC中存放程序的地址单元为“步”，每一步占用两个字，一条基本指令一般为一步。功能复杂的基本指令，特别是功能指令，往往有若干步，因而用“步”来表示程序容量，往往以简单的基本指令为单位，称为多少K基本指令（步）。如还是用字节表示，财一般小型内存为1K到几K，大型机为几十K，甚至可达12M字节 2.2 PLC应用中应注意的问题 PLC是专门为工业生产服务的控制装置，通常不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。 一、工作环境 1 温度 PLC要求环境温度在055，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足 够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55，要安装电风扇强迫通风。 2 湿度 为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露） 3 震动 应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避 免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。 4 空气 避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。 5 电源 PLC供电电源为50Hz、220（110%）V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。 FX系列PLC有直流24V输出接线端，该接线端可为输入传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。 二、安装与布线 1 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。 2 PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。 3 PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。 4 PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。 5 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。 三、I/O端的接线 1 输入接线 （1）输入接线一般不要超过30米。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。 （2）输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。 （3）尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。 2 输出连接 （1）输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。 （2）由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。 （3）采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。 （4）PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。 四、外部安全电路 为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。 （1）急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得PLC发生故障时，能将引起伤害的负载电源可靠切断。 （2）保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。 （3）可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器CPU故障时就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。 （4）电源过负荷的防护。如果PLC电源发生故障，中断时间少于10秒，PLC工作不受影响，若电源中断超过10秒或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。（5）重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。三 控制原理说明设计方案论证 PLC对机械手搬物控制的电气控制设计的实现1.实现目标,设计机械手控制程序,按照原位上升下降抓物上升右转下降放物结束得动作顺序要求,实现对机械手移送工作的过程控制根据实际要求,机械手工作方式设置为3种,即:单步动作,单周期动作和连续动作。要求通过控制面板的相应转换开关和控制按钮，来决定机械手的具体动作，各个动作的到位情况有检测元件完成。2.解决思路根据机械手的工作要求实现控制程序要在可以完成正常的运转周期的基础上进行设计程序的设计主要是考虑周期动作的实现，也就是如何控制各个状态的转换，实现在各个阶段的控制任务。根据运转的要求，在系统启动初期先判断机械手是否处于原始位置，即右极限下极限处，如果不在则给出运转信号令其向右向下动作到起始位置。自动程序从起始位置到达后开始进行工件的取送工作，按照动作顺序要求，依据位置检测反馈信号来控制各部动作的启动和结束。3.控制需求分析与硬件设计 控制程序是实现对机械手动作的合理控制，通过分析合理使用必要位置检测信号，就能很好地实现控制要求。 首先分析一下输入信号的需求，根据机械手动作的分析，设置上下限检测和左右限检测等4个检测信号输入。在考虑控制的需求，设置启动停止按钮控制，原始位定位以及手动，单周期和连续动作方式选择输入，另外就是手动操作的一些按钮，包括上升,下降,左行,右行,抓取和放开6个按钮输入机械手的输出设置上升,下降,左行,右行.取放5个信号,分别对应相应的动作元件进行控制,其中取放元件使用一个输出控制,是考虑目前常用的取放元件多为断电自复位式电磁阀,所以只需对抓取时的动作给出控制信号即可.系统的PLC配置示意图四 主要元件的选择与计算1 按钮的选择按钮是最常用的主令电器，在低压控制电路中用于手动发出控制信号。它由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成。按用途和结构的不同，分为启动按钮、停止按钮和复合按钮等。在机械手控制系统的设计中，选用分别选用了一个启动按钮，一个停止按钮，一个急停按钮，其原理分别为：启动按钮带有常开触头，手指按下钮帽，常开触头闭合；手指松开，常开触头复位。停止按钮带有常闭触头，手指按下按钮帽，常闭触头断开；手指松开，常闭触头复位。急停按钮按下之后，机械手移动工件立即停止；急停按钮解除后，所有输出重新开始。一按按钮，机床就能锁住，解除的方法是旋转后解除。 注1：紧急停时，电机的电源被切断。 注2：在解除急停以前，要消除机械手异常的因素。在机械手设备中，所选用按钮的主要技术数据如表所示： 按钮的技术数据型号触头组合按钮颜色LA2510常开绿色LA2501常闭红色KA54211常开常闭灰色2.限位开关的选择行程开关(限位开关)的工作原理及符号表示行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。本设计为机械手移动工件的设计，该控制系统中出现了机械手向下/上运动，向左/右运动和松开工件，从而需要五个限位开关来控制，直动式行程开关 其动作原理与按钮开关相同，但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度，不宜用于速度低于04mmin的场所，在机械手控制系统选用直流防护式限位开关。限位开关的技术数据如表所示： 限位开关的技术数据型号额定电压/V额定电流/A触头数量结构形式个数交流直流常开常闭JLXK1-311500440511直动防护式53.继电器的选择继电器的工作原理是当某一输入量(如电压、电流、温度、速度、压力等)达到预定数值时，使它动作，以改变控制电路的工作状态，从而实现既定的控制或保护的目的。在此过程中，继电器主要起了传递信号的作用。在本设计中需要6个正反转继电器和1个辅助继电器。本设计所选用的辅助继电器的型号为LY2-0 DC48V，正反转继电器的技术数据如表所示： 正反转继电器的技术数据型号触点数量触电容量工作电压个数JZF-53个常开触点AC250V 5A220V24.I/O地址表由于CPU模块有16点数字量输入，16点数字量的输出，因此不再需要输入/输出模块。I/O分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X401X507，输出端子对应的输出地址是Y430X434。 I/O地址表对应地址对应的外部设备输入地址X506启动按钮X507停止按钮X412夹持开关X402上限位开关X401下限位开关X404左限位开关X403右限位开关X407松开开关五 机械手的动作流程5.1机械手的工作要求两条传送带分别电动机驱动,机械手有液压驱动上下左右旋转两个方向运动,液压系统为1000W电动机,其工作顺序为原位上升下降抓物上升右转下降放物结束.1工作原理机械手移动工件通过限位开关和电机来控制。（1） 机械手分别通过前进/后退电机、上升、下降电机的正反转来上、下、左、右移动，移动的最大位置通过上、下、左、右4个限位开关控制。（2） 夹放工件通过夹紧、放下电机的正反转来控制。夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间，在这个时间内，机械手能完全夹紧工件。放下工件通过松限位开关来控制。按下启动按钮，整个系统按照PLC程序的设定有序的运行；正常停车时，按下正常停车按钮，等机械手运行到初始位置，停车。当按下即停按钮时，系统不管运行到什么状态，都要立即停止2设备控制要求机械手移动工件控制系统的要求时有“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。2.1正常运行（1） 在初始位置（上、左、松限位开关确定）处，按下启动按钮，系统开始工作；（2） 机械手首先向上运动，运动到最高位置停止；（3） 机械手开始向左运动，一直运动到最左端（由左限位开关确定）；（4） 机械手开始向下运动，一直运动到最下端（由下限位开关确定）（5） 机械手开始夹紧工件，一直到工件夹紧为止（由定时器控制）；（6） 机械手开始向上运动，一直运动到最上端（由上限位开关确定）；（7） 上限位开关闭合后，机械手开始向右运动；（8） 运行到右端后，机械手开始向下运动；（9） 向下运动到最低位后，机械手把工件松开，一直到松限位开关有效（由松限位开关控制）；（10） 该系统要求能连续循环工作。正常停车时，要求机械手回到初始位置才能停车。2.2紧急停止按下紧急停止按钮时，系统立即停止。5.2机械手的操作面板分布图5.3机械手的工作方式手动工作方式：利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。用手动操作可以使机械手置于原位，还便于维修时机械手的调整 单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一下起动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止 单周期工作方式：按下起动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止 连续工作方式：按下起动按钮，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。或者将工作方式选择开关转换到“单周期”工作方式，此时机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机 面板上的启动和急停按钮与PLC运行程序无关，这两个按钮是用来接通或断开PLC外部负载电源。有多种运行方式的控制系统，应能根据所设置的运行方式自动进入，这就是要求系统应能自动设定与各个运行方式相应的初始状态。 5.3.1编写手动操作运行程序和返回原位程序一.手动操作运行程序 1.按下夹持按钮时,夹持输出Y431自保,只有按下松开按钮时,Y431才会复位。2.按下上升按钮时,上升输出 Y432保持接通,按下下降按钮下降输出Y430保持接通。3.在上限位按下左行按钮左行输出Y434保持接通。4.在上限位按下右行按钮，右行输出Y433保持接通。 按下回原位按钮X505，机械手自动返回原位。单一运行梯形图为单一运行助记符为:LDX 412ORY 431ANIX 407OUTY 431LDX 405ANIY 430OUTY 432LDX 410ANIY 432OUTX 430LDY 406ANIY 433ANDX 402OUTY 434LDX 411ANIY 434ANDX 402OUTY 433二.返回原位运行程序按下回原位按钮X505，机械手自动返回原位返回原位梯形图为：返回原位的助记符为：LDX 505SM 200LDM 200RY 431RY 430OUTY 432ANDX 402RY 433OUTY 434ANDY 404RM 2005.3.2编写自动运行程序自动运行的梯形图为：自动运行的助记符为：1LDX 50529SY 4312SM 20030OUTT4503LDM 20031K14RY 43132LDT 4505RY 43033SS 6046OUTY 43234STLS 6047ANDX 40235OUTY 4328RY 43336LDX 4029OUTY 43437SS 60510ANDY 40438STLS 60511RM 20039OUTY 43312LDX 50640LDX 40313ORM 10241SS 60614OU