PLC技術與工程應用 機械手電氣控制系統(tǒng)設計

1、河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校課程設計報告書課程設計報告書課程名稱：課程名稱： plc 技術與工程應用 課題名稱：課題名稱： 機械手電氣控制系統(tǒng)設計 系部名稱：系部名稱： 自動控制系 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 計控 102 姓姓 名：名： 崔建彪 學學 號：號： 101413233 2012 年 06 月 20 日目目 錄錄目目 錄錄.i1、引言引言 .12、系統(tǒng)總體方案設計、系統(tǒng)總體方案設計.22.1 機械手系統(tǒng)硬件配置及組成原理.22.2 有關機械手的 i/o 系統(tǒng)變量定義及分配表.63、 控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計.73.1 控制程序總流程圖.73.2 控制程序設計思路.83.3 創(chuàng)

2、新設計內(nèi)容.94、上位監(jiān)控系統(tǒng)設計、上位監(jiān)控系統(tǒng)設計.95、 程序調(diào)試程序調(diào)試.115.1調(diào)試設備.115.2遇到的問題與解決方法 .116、心得體會、心得體會.12附錄附錄 1 參考文獻參考文獻.13附錄附錄 2 程序清單程序清單.14plc 技術與工程應用課程設計11、引言引言在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作。機械手是近代自動控

3、制領域中出現(xiàn)的一項新的技術機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 ，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡

4、控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。隨著人類的發(fā)展、文明的進步，工業(yè)正不斷發(fā)展著，需要人們完成的工作量也不斷增大（尤其是那種重復性大的工作，像傳運貨物） ，涉及到危險性的工作也日趨增多，這就迫使人們研究開發(fā)一種新裝置

5、，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作的一種裝置，而機械手正是這樣一種裝置：它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。plc 技術與工程應用課程設計- 2 -2、系統(tǒng)總體方案設計、系統(tǒng)總體方案設計2.1 機械手系統(tǒng)硬件配置及組成原理機械手系統(tǒng)硬件配置及組成原理 輸入、輸出驅(qū)動單元輸入、輸出驅(qū)動單元該設備四自由度動作由四臺直流電動機驅(qū)動，每臺電動機可進行正反轉(zhuǎn)運行。左右擺動由齒輪組嚙合實現(xiàn)減速傳動；伸出與退回、上下移動由直流減速電機驅(qū)動絲杠-螺母結(jié)構(gòu)完成；機械

6、手指的夾緊與張開由直流減速電機驅(qū)動連桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。該設備共有 8 個動作，由控制器輸出信號驅(qū)動。每個自由度運行極限位置設置了兩個行程開關，用于判斷當前動作是否到位。該設備共有 8 個行程開關作為控制器的輸入信號。機械手實驗設備如圖 1 所示。該設備可以實現(xiàn)手臂的左右擺動、伸出與退回、上下移動、機械手指的夾緊與張開等四自由度動作。圖圖 1.1. 機械手實驗設備機械手實驗設備plc 技術與工程應用課程設計- 3 - 輸入輸入/輸出接口電路介紹輸出接口電路介紹機械手實驗設備既是所謂控制對象，對于一般工業(yè)控制，其控制核心使用可編程控制器(plc)。設計輸入輸出接口電路 (如圖 2 所示) 的目的是為解決

7、機械手設備輸出驅(qū)動單元、輸入檢測單元與 plc 之間的信號接口問題。圖中上層電路板是驅(qū)動電路板，下層電路板左側(cè)是輸入接口電路板，右側(cè)是輸出接口電路板。圖圖 2.2. 輸入輸出接口電路板輸入輸出接口電路板 輸入輸入/輸出接口電路板輸出接口電路板輸入接口電路板原理圖如圖 3 所示，其功能是將設備上行程開關的開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電平信號(邏輯 1：24v dc ；邏輯 0：0v dc)。板上設有光電隔離電路，將內(nèi)外電源隔離，以保護設備安全。 圖圖 3. 輸入接口電路板電氣原理圖輸入接口電路板電氣原理圖本設備 8 個輸入信號，對應輸入接口電路板的 8 根輸入信號線。各信號線對應的行程開關如表 1 所示

8、。plc 技術與工程應用課程設計- 4 -表表 1.1. 輸入信號線與行程開關對應關系表輸入信號線與行程開關對應關系表輸入信號線序號輸入信號線序號( (自左到右自左到右) )對應行程開關對應行程開關備備 注注1左轉(zhuǎn)到位2右轉(zhuǎn)到位3退回到位4伸出到位5上移到位6下移到位7手指張開到位8手指夾緊到位輸出接口(如圖 4 所示)由兩塊電路板構(gòu)成：驅(qū)動電路板和輸出接口電路板。它們的功能是將 plc 輸出的控制信號用于驅(qū)動繼電器動作，從而控制電動機正向或反向運行。輸出接口電路板上也設有光電隔離電路，可將內(nèi)外電源隔離。左圖為驅(qū)動電路板電氣原理圖，繼電器 a 吸合、b 釋放，對應的電機正轉(zhuǎn)；繼電器 a 釋放、

9、b 吸合，對應的電機反轉(zhuǎn)；繼電器 a、b 同時釋放，電機停止運行；不允許二者都吸合。右圖為輸出接口電路板電氣原理圖，當 plc 輸出的某路控制信號有效時，對應的輸出信號有效，從而可以使得對應的繼電器吸合。 圖4. 輸出接口電路電氣原理圖 (左圖為驅(qū)動電路板，右圖為輸出接口電路板)本設備有 8 個輸出控制信號，對應輸出接口電路板的 8 根輸出信號線。各輸出信號線對應的電動機動作關系如表 2 所示。plc 技術與工程應用課程設計- 5 -表表 2.2. 輸出信號線與電動機動作對應關系表輸出信號線與電動機動作對應關系表輸出信號線序號輸出信號線序號（自左到右）（自左到右）對應電動機對應電動機備注備注1

10、擺動電機左轉(zhuǎn)2擺動電機右轉(zhuǎn)3水平電機伸出4水平電機退回5垂直電機上移6垂直電機下移7手指電機張開8手指電機夾緊系統(tǒng)組成圖系統(tǒng)組成圖圖圖 5、機械手電氣控制系統(tǒng)總組成圖、機械手電氣控制系統(tǒng)總組成圖plc 技術與工程應用課程設計62.2 有關機械手的有關機械手的 i/o 系統(tǒng)變量定義及分配表系統(tǒng)變量定義及分配表1 、機械手、機械手 i/o 變量分配變量分配表表 3 3 機械手的機械手的 i/oi/o 系統(tǒng)變量分配表系統(tǒng)變量分配表名稱輸入點編號說明左限位i0.0左轉(zhuǎn)到位開關右限位i0.1右轉(zhuǎn)到位開關退回i0.2退回到位開關伸出i0.3伸出到位開關上行i0.4上行到位開關下行i0.5下行到位開關張開i

11、0.6張開到位開關抓緊i0.7手指抓緊到位名稱輸出點編號說明電機左轉(zhuǎn)q0.0電機左轉(zhuǎn)電機右轉(zhuǎn)q0.1電機右轉(zhuǎn)電機伸出q0.2電機伸出電機退回q0.3電機退回電機上移q0.4電機上移電機下移q0.5電機下移手指電機張開q0.6手指電機張開手指電機抓緊q0.7手指電機抓緊故障燈q1.0故障燈2 、機械手控制系統(tǒng)接線、機械手控制系統(tǒng)接線plc 技術與工程應用課程設計- 7 - 圖圖 6、機械手控制系統(tǒng)的接線圖、機械手控制系統(tǒng)的接線圖3、 控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計3.1 控制程序總流程圖控制程序總流程圖按下啟動按鈕機械臂復位機械手伸出伸出到位？否機械臂下行是手爪閉合夾緊到位？夾緊工件否機械手上升是上升

12、到位？否機械手臂左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)是左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)到位？機械臂下行是下降到位？否手爪松開工件是工件松開到位？機械臂上行上行到位？是否否機械臂退回是退回到位？否機械臂左行或右行左行或右行到位？是否停止是機械手停在初始位置機械手伸出機械手下行夾緊工件機械手上升機械手左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)機械手下行松開工件機械手上行機械手退回機械手左行或右行停止啟動壓伸出限位壓下降限位壓上升限位壓左行或右行限位壓下行限位壓上行限位壓左行或右行限位 圖圖 7、機械手程序總流程圖、機械手程序總流程圖plc 技術與工程應用課程設計- 8 -機械手程序的簡要說明機械手程序的簡要說明：11 、 在單步模式下按下啟動按鈕(若機械手處于初始位置，則開始

13、運行；否則，按下復位鍵，使機械手復位)伸出下行手指夾緊上行左轉(zhuǎn)下行手指張開上行退回左行停止22 、 在連續(xù)模式下按下啟動按鈕，上述動作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個工件的傳輸過程。連續(xù)模式下，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作結(jié)束后，停止運行。3.2 控制程序設計思路控制程序設計思路該課程設計中的實驗程序采用功能圖其具體的步驟和編寫思路如下：該課程設計中的實驗程序采用功能圖其具體的步驟和編寫思路如下：plc 技術與工程應用課程設計- 9 -圖圖 8 8、機械手的順序功能圖、機械手的順序功能圖plc 技術與工程應用課程設計10順序功能圖簡要說明順序功能圖簡要說明：（1） 由于單步/連續(xù)運

14、行的原因，使用了分支選擇電路，使機械臂按照不同的操作方法進行物料的抓取與放置。（2） 機械臂在上、下、左、右行走的控制中使用了 s-作為狀態(tài)條件。（3） s7-200plc 的順控指令不支持直接輸出故用了 sm0.0 常 on 繼電器作為線圈通的條件來解決這一缺陷。（4） 程序中 m0.0 是一個選擇邏輯它相當于一個開關，控制系統(tǒng)是單步操作還是循環(huán)操作。3.3 創(chuàng)新設計內(nèi)容創(chuàng)新設計內(nèi)容11 、編制四個驅(qū)動電機的保護程序。要求自動檢測電機是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。若電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，應立即停止系統(tǒng)工作，并點亮故障報警燈；故障排除后，按下復位按鈕，故障報警燈熄滅；22 、連續(xù)運行模式下，統(tǒng)計傳輸工件的個數(shù)

15、，存儲于 plc 的 v 型數(shù)據(jù)區(qū)，以備組態(tài)監(jiān)控使用，也可用狀態(tài)表監(jiān)視其狀態(tài)變化。4、上位監(jiān)控系統(tǒng)設計、上位監(jiān)控系統(tǒng)設計本實驗所采用上位監(jiān)控系統(tǒng)是基于計算機的上 step 7micro win 軟件，而進行對程序和設備的系統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控，主要的過程如下：1. 熟悉 step 7micro win 軟件的編程環(huán)境、編程方法和用 step 7micro win 軟件編寫上位機監(jiān)控系統(tǒng)的程序。2. 根據(jù)課目設計要求，編寫程序。3. 對系統(tǒng)進行調(diào)試和 i/o 地址的分配、標釋。4. 運行機械手設備，打開上位機上的監(jiān)控系統(tǒng)，觀察課目設計程序，并監(jiān)控機械手設備是否正常情況下工作。5. 對設備工作中的不足進行

16、修改，重新進行觀察plc 技術與工程應用課程設計- 11 -本軟件對程序?qū)嵤┝吮O(jiān)控，監(jiān)控部分剪影如圖本軟件對程序?qū)嵤┝吮O(jiān)控，監(jiān)控部分剪影如圖 9 所示所示：圖圖 9、程序的上位機監(jiān)控圖、程序的上位機監(jiān)控圖另外本上位機監(jiān)控系統(tǒng)還對數(shù)據(jù)的變化進行了全程監(jiān)控，監(jiān)控圖表剪影如圖另外本上位機監(jiān)控系統(tǒng)還對數(shù)據(jù)的變化進行了全程監(jiān)控，監(jiān)控圖表剪影如圖 10所示所示：圖圖 10、據(jù)變化的監(jiān)控系統(tǒng)圖、據(jù)變化的監(jiān)控系統(tǒng)圖plc 技術與工程應用課程設計- 12 -5、 程序調(diào)試程序調(diào)試5.1 調(diào)試設備調(diào)試設備 首先在電腦的 step-7-micro /win 編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，然后點擊運行并對其指出

17、的錯誤進行修改，修改完最終運行無誤后將其下載到可編程控制儀器中；其次按照設計的要求接好線，確定無誤后按下啟動按鈕。啟動后發(fā)現(xiàn)程序并不能按照實驗要求的步驟進行運行，甚至沒有可運行的跡象，這樣起初設計的單步程序和連續(xù)運行程序就失敗了，也就不符合設計中的要求動作依次有序進行操作的要求，所以務必要對其進行修正。這種情況下我采取了以下方案：方案一：在沒有確定設備是否存在問題的情況下，首先我們對設備進行了檢測，發(fā)現(xiàn)不存在任何問題，在這種情況下我選擇了再一次用先前的步驟來完成整個過程以確定初次的接線過程是否有誤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和以前的運行結(jié)果一樣。這樣方案一就以失敗而告終。方案二：經(jīng)過老師的指點我才明白是最初的程

18、序均是單獨的互不連接的，未經(jīng)子程序進行調(diào)用，因此就更不用提程序能連續(xù)運行了。于是我這次選擇了利用順序功能圖進行編程，摒棄了之前的程序，經(jīng)過對程序的一改再改之后，又一次對程序進行了調(diào)試并下載到可編程控制器中進行模擬檢測，結(jié)果仍然取得了不盡如人意的結(jié)果。于是就再去請教指導老師，經(jīng)過一番指導終于小有成果，可以使機械手進行預定步驟的動作的演示，所以此方案成功了。5.2 遇到的問題與解決方法遇到的問題與解決方法1、問題：“怎樣使機械手的工作狀態(tài)清晰而簡單呈現(xiàn)出來？”法案：“采用功能圖進行程序的編寫與調(diào)試。 ”2、問題：“如何解決機械手的動作單步運行？”法案：“采用上升沿脈沖觸發(fā)并使用計數(shù)器、比較指令，以

19、撥動開關產(chǎn)生上升沿脈沖觸發(fā)數(shù)目來判定機械手那步動作的執(zhí)行。 ”3、問題：“如何解決對工件數(shù)目的計數(shù)？法案：“進行標志位設置，使用傳送指令、加數(shù)指令、上沿觸發(fā)指令，以循環(huán)動作的最后一步限位開關閉合作為觸發(fā)進行加數(shù)，把所得加數(shù)和送給 vb0.plc 技術與工程應用課程設計- 13 -6、心得體會、心得體會 機械臂的 plc 控制課程設計是自動化課程當中一個重要環(huán)節(jié)通過了 2 周的課程設計使我對課程設計過程有進一步了解，對自動化產(chǎn)品的有關的控制知識有了深刻的認識。此次設計是在張士磊老師的悉心指導下完成的。老師為設計課題的研究提出了許多指導性的意見，為課程設計的撰寫、修改提供了許多具體的指導和幫助。張

20、士磊老師的嚴謹治學、不斷探索的科研作風，敏銳深邃的學術洞察力，孜孜不倦的敬業(yè)精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文結(jié)束之際，特向我敬愛的老師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！通過此次設計，一方面讓我認識到自己的不足，發(fā)現(xiàn)了學習中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強對復雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎。再一方面也加強了我和老師的交流，認識到知識的淵博度。因為理論知識學的不牢固，在設計遇到了不少問題，如：遺忘以前學過的專業(yè)基礎知識。通過理論與實際的結(jié)合，進一步提高觀察、分析和解決問題的實際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動適應社會主義現(xiàn)代化建設需要的高素質(zhì)的復合型人才。運用學習成果，把理論運用于實際，使理論得以提升，形成創(chuàng)新思想。通過此次設計過程，鞏固了專業(yè)基礎知識，培養(yǎng)了我綜合應用機械設計課程及其他課程的理論知識和應用生產(chǎn)實際知識解決工程實際問題的能力，在設計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，為今后的學習和工作過程打下基礎。經(jīng)過這次的努力，使我順利的完成了此次課程設計。這份課程設計既是對這學期所學知識的總結(jié)，又是自己知識的積累，也大大加深了對可編程控制器技術的了解。課程設計中既動腦又動手，是一個