plc机械手课程设计报告

1、组 别： 课 程 设 计题 目机械手操作控制装置设计学 院自动化学院专 业自动化卓越工程师班 级自动化ZY1201班小组成员刘子伟 王涛 朱剑怀 李天德 张生辉指导教师周新民2015年05月26日目录上篇 系统设计部分摘要11 机械手操作控制简介21.1 机械手的控制要求21.2机械手的的操作功能21.3系统设计与调试报告要求31.4系统调试考核32控制系统分析22.1控制目的与对象分析32.2控制要求与功能分析32.3 IO地址的设置与分配33 PLC及机械手的选择和论证43.1 PLC43.1.1 PLC简介43.1.2 PLC的结构及基本配置43.1.3 PLC选择及论证53.2 机械手

2、53.2.1 机械手简介53.2.2 机械手选择64硬件电路设计及描述74.1主电路74.2 PLC 配置电路84.3 IO接线原理图85 软件电路设计及描述105.1初始复位与紧急停车程序105.2工作模式选择程序105.3 手动模式程序105.4 回原位模式程序115.5单步模式程序125.6单周期模式程序135.7连续模式程序136 附录106.1附录一 指令语句表136.2附录二 程序步进图形13下篇 调试部分 7调试准备157.1实验条件下的程序修改137.1人机界面的设计137.2测试步骤138 调试结果159心得体会16参考文献17摘要可编程序控制器（Programmable L

3、ogic Controller），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是为了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。气动机械手具有成本低廉、结构简单、抗干扰性强、适合各种生产环境等特点。目前,气动机械手在某些专用机床的自动上下料装置中已经得到了初步应用。PLC

4、在工业控制方面有相当成熟的应用,功能强大,程序设计和外部接线比其他自控方式更简单。应用三菱系列PLC设计开发一套实现气动机械手上下左右运动的程序和外部接线电路及操作面板。气动系统具有许多显著的优点,在工业自动化中得到愈来愈广泛的应用,机械手的驱动和控制方式基本上都是采用高精度伺服电机,成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低,这些问题阻碍了自动装卸机械手在生产实际上的广泛应用。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过程控制或混合控制，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 。采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实

5、现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好。阻力损失和泄露减少。不会污染环境，造价低。关键词：PLC气动机械手 自动装卸1 机械手操作控制简介1.1 机械手的控制要求机械手的动作示意图如图1所示，气动机械手的功能是将工件从A处移送到B处。控制要求为：1) 气动机械手的升降和左右移行分别由不同的双线圈电磁阀来实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动；2) 上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1；右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4；3) 机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；4) 机械手的夹钳的松开、夹紧通过延时1。7

6、S实现；5) 机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现；图1 机械手示意图1.2机械手的的操作功能机械手的操作面板如图2所示。机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。1) 手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；2) 回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；3) 单步工作方式时，每按下一次启动按钮，机械手向前执行一步；4) 单周期工作方式时，每按下一次启动按钮，机械手只运行一个周期；5) 连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环工作，直到按下停止按钮；6) 传送工件时，机械手必须升

7、到最高点才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件；7) 出现紧急情况，按下紧急停车按钮时，机械手停止所有的操作。图2 操作面板1.3系统设计与调试报告要求报告至少要求阐述以下内容。1) 控制对象及控制要求分析2) 输入输出点设置，统计。IO表绘制。3) PLC选型（DVP SX2）及硬件配置。（鉴于实验条件，PLC选台达DVP SX2）4) 系统硬件设计。采用AutoCAD绘制图纸。图纸含主电路图（含主电路、控制线路供电）、PLC配置图、PLC IO接线原理图纸，共计3张。5) 系统控制软件设计。完成并说明梯形图程序设计，程序有批注。6) 根据现有的实验条件设计的实验调试方案。采

8、用实验室设备（PLC、触摸屏TP）演示、验证系统设计的正确性。1.4 系统调试考核采用硬件按钮/硬件输出指示灯（至少各一个）和TP中的软元件，搭建实验系统，实现控制功能的要求；设计出TP画面及其功能，拟定测试步骤和记录表，并在实验室实验阶段填写测试记录，在模拟的系统中证明控制功能的正确实现。注：设计和调试报告需上传网盘，通过答辩后方能进入实验室进行实验验证。2 控制系统分析2.1 控制目的与对象分析从系统的控制要求和操作功能，可以看出此控制系统的目标是实现控制机械手，使其完成将工件从A处移送到B处。整个流程包括：（1） 夹紧工件（2） 从上升到最高处（3） 右行到达最右端，B点的上方（4） 下

9、降到B点（5） 松开工件（6） 与上述过程相反运动，回到原位置，进行下一个操作步骤。从以上的操作流程我们可以知道，机械手的动作方式有六种，分别是夹紧操作、松开操作、上升运动、下降运动、右行运动、左行运动，我们将其分为三组运动方式。这些操作均由电机带动气动传动系统实现，如果电机的转动方向只有一个，根据以上分析，则需要六个电机，但是通过控制三相电动机的相序我们就可以实现电机的正反转控制，则只需要三个电机即可。实际中我们控制其正反转相序的方式，是通过两个接触器进行两种相序接线方式与三相电源连接，我们只要控制电动机的主电路上的两个接触器的通断就可以决定电动机接入三相电网的相序，从而决定电动机的正反转。

10、其中较为特殊的一组运动，夹紧操作和松开操作，其中夹紧操作需要电动机工作，而松开操作可以用机械方式恢复原状态，即只需要断开电动机的电路，使其不工作，因而这组运动我们仅用一个接触器就可以实现其功能。通常，我们使用线圈得失电来控制接触器的通断，因此我们的控制对象就成为了对五个线圈得失电状态的控制。2.1 控制要求与功能分析从控制要求上可以看出：（1）机械手的六种动作方式由五个电磁阀线圈YV1、YV2、YV3、YV4、YV5来实现，我们可以将其作为控制核心的五个输出点，使其与220V交流电源接通或断开；（2）对于夹紧和松开的操作需要保证线圈YV5得电或失电状态的改变维持1.7S以上才能保证动作可靠完成

11、。我们可以采用计时器进行定时，保证其状态的改变维持1.7S后才进行后续的动作。（3）由于实际的工作中每个动作都应有其完成的时刻，这里机械手每个动作的完成时刻标志是限位开关，当到达某个极限位置时，如上限位置时，上升限位开关触发使上升电磁阀线圈断开，停止机械手的上升动作。从功能上看，要求设计的控制系统能够实现五种工作方式：手动工作方式、回原位工作方式、单步工作方式、单周期工作方式、连续工作方式，工作方式之间是独立的，需要互锁以防止同时进入两种工作方式。在手动工作方式时，可以按照我们的需求对各个步骤单独进行操作，即能够实现操作面板上的按钮功能；回原位工作方式时，切换到回原位工作方式时，机械手能够自动

12、回到初始位置A点，这就要求控制核心能够判别此时机械手所处的位置，然后再进行相应的运动；单步工作方式时，每按下一次启动按钮，机械手向前执行一步，此时各工作步骤应有明显严格的先后关系，采用步进工作方式可以实现；单周期工作方式时，每按下一次启动按钮，机械手只运行一个周期，即能够实现上述的单步方式中的一个周期的几个动作，每个周期结束后机械手还应该回到原位置，以便下一个周期的进行；连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环工作，直到按下停止按钮，即此停止按钮可以终止机械手的运动，但工作方式仍为连续工作模式，如果再次按下启动按钮，还应可以继续进行工作。此外操作功能中还要求传送工件时

13、，机械手必须升到最高点才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件，因而要求上升限位开关触发并保持触发状态时，机械手方可进行左右移动，据此，还可以推断出，左右运行时上升与下降运动都不能够处于可以进行的状态，即处于锁定状态；出现紧急情况，按下紧急停车按钮时，机械手停止所有的操作，这时所有的状态都必须停止，并且不能进行下一步动作，只有当紧急停车按钮的状态恢复正常时，才能够进行正常的工作。2.1 IO地址的设置与分配从以上的分析可以知道，系统应该包括三个部分，操作给定部分、控制处理部分、动作执行部分。操作给定部分，有五种工作方式的给定，手动工作方式下的六个操作的选择，单步、单周期以及连续工

14、作方式下的启动和停止输入，还有紧急情况下的紧急停车按钮。由上知，共计14个输入点，应分配14个输入地址。动作执行部分，由对控制对象的分析可以知道，机械手的操作最后是对五个电磁阀线圈的操作，即仅需要5个输出点，应分配5个输出地址。IO地址的设置与分配如下表所示：表2-1序号代号名称IO地址1SB1启动按钮X12SB2停止按钮X23SB3下降按钮X34SB4上升按钮X45SB5右行按钮X56SB6左行按钮X67SB7夹紧按钮X78SB8松开按钮X119SB9紧急停车按钮X1210多路开关1手动工作方式开关x1311多路开关2回原位工作方式开关x1412多路开关3单步工作方式开关x1513多路开关4

15、单周期工作方式开关x1614多路开关5连续工作方式开关x1715SQ1下降限位开关X2116SQ2上升限位开关X2217SQ3右行限位开关X2318SQ7左行限位开关X2419YV1下降电磁阀线圈Y120YV2上升电磁阀线圈Y221YV3左行电磁阀线圈Y322YV4右行电磁阀线圈Y423YV5夹紧电磁阀线圈Y53 PLC及机械手的选择和论证3.1 PLC3.1.1 PLC简介可编程控制器（简称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。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

16、控制各种类型的机械或生产过程。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。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。3.1.2 PLC的结构及基本配置一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。CPU：PLC中的CPU是PLC的核心，起神

17、经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的。电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为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。电源以其输入类型有：交流电

18、源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。PLC 的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：编程设备、监控设备、 存储设备、输入输出设备。3.1.3 PLC选择及论证考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，采用PLC作为核心控制器，各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，同时考虑到实验室的设备条件。我们采用台达公司的DVP SX2型PLC(8点输入、6点输出，可扩展)。3.2 机械手3.2.1 机械手简介mechanical hand 也被称为自动手，auto hand能模仿人手和臂的某些动作功

19、能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。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。机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。1) 执行机构机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2) 传动系统执行机构的动作要由传动系统来

20、实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。3) 控制系统机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。3.2.2 机械手选择由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。并且根据要求，我们设计的是气动机械式。4 硬件电路及描述4.1主电路图4-1 主电路图4.2 PLC配置电路图4-2 PLC配置图4.3 I

21、O接线原理图图4-3 IO接线原理图5 软件设计及描述5.1 初始复位与紧急停车程序如下图5-1所示，此程序实现初始复位和紧急停车功能。X12为紧急停车按钮的输入，当按下此按钮PLC对内部辅助继电器进行复位操作，恢复辅助继电器的状态；然后进入S0步，继续对计数器、定时器复位。当紧急停车按钮没有释放时，不能进行下一步（工作模式的选择）操作，当解除紧急停车状态后，可以进行下一步操作。图5-1初始复位与紧急停车程序梯形图5.2 选择工作模式程序如下图5-2所示，此程序实现机械手的工作模式的选择功能。X13为手动模式的选择输入按钮，按下按钮后，程序进入手动工作模式。X14为回原位模式的选择输入按钮，按

22、下按钮后程序进入回原位工作模式。X15为单步工作模式的选择输入按钮，按下按钮后，程序进入单步工作模式。X16为单周期工作模式的选择输入按钮，按下按钮后，程序进入单周期工作模式。X17为连续工作模式的选择输入按钮，按下按钮后程序进入连续工作模式。此外，此程序添加了各模式之间的互锁功能，防止各个模式之间功能的串位。图5-2 工作模式选择程序梯形图5.3 手动模式程序如下图5-3所示，此程序实现的是进行手动操作的功能。X4是上升按钮的输入、X3下降按钮的输入、X6左行按钮的输入、X5右行按钮的输入、X7是夹紧按钮的输入、X11是松开按钮的输入，X22是上升限位开关的输入、X21是下降限位开关的输入、

23、X24是左行限位开关的输入、X23是右行限位开关的输入。Y1是下降电磁阀线圈YV1状态输出，Y2是上升电磁阀线圈YV2的状态输出、Y3是左行电磁阀线圈YV3的状态输出、Y4是右行电磁阀线圈YV4的状态输出、Y5是夹紧电磁阀线圈YV5的状态输出。起始位置时，下降限位开关、左行限位开关触发导通。当按下X7夹紧按钮后，夹紧电磁阀线圈YV5得电，机械手执行夹取工件的操作，当按下X11夹紧电磁阀线圈YV5失电，机械手执行释放工件的操作；按下X4上升按钮后，上升电磁阀线圈YV2得电并自锁，机械手开始上升运动，直到到达上升极限，上升限位开关X22触发，线圈YV2失电机械手停止运动；按下X3下降按钮与此类似，上升与下降之间有互锁功能；当在最高位时，X22上升限位开关触发导通，此时可以按下X5右行按钮、或X6左行按钮（如果到达左右极限位置，极限开关的常闭开关断开，左行或右行功能受限制），左行与右行之间也添加了互锁功能。图5-3 手动工作模式程序的梯形图5.4 回原位模式程序如下图5