搬運機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計

1、湖 南 工 程 學(xué) 院課 程 設(shè) 計課程名稱 電氣控制與plc 課題名稱 搬運機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級 03 姓 名 學(xué) 號 0 指導(dǎo)教師 賴指南、劉星平、周向紅 2013年06月25日湖 南 工 程 學(xué) 院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱 電氣控制與plc 課題名稱 搬運機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 賴指南、劉星平、周向紅 審 批 黃 峰、汪 超、劉星平 任務(wù)書下達(dá)日期2013年06月09日 課程設(shè)計完成日期2013年06月25日設(shè)計內(nèi)容與要求一. 課程設(shè)計的性質(zhì)與目的 本課程設(shè)計是自動化專業(yè)教學(xué)計劃中不可缺少的一個綜合性教學(xué)環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的重要手段

2、。它的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用本課程所學(xué)知識和技能去分析和解決本課程范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題，建立正確的設(shè)計思想，掌握工程設(shè)計的一般程序和方法。通過課程設(shè)計使學(xué)生得到工程知識和工程技能的綜合訓(xùn)練，獲得應(yīng)用本課程的知識和技術(shù)去解決工程實際問題的能力。 二. 課程設(shè)計的內(nèi)容 1.根據(jù)控制對象的用途、基本結(jié)構(gòu)、運動形式、工藝過程、工作環(huán)境和控制要求，確定控制方案。2.繪制搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)的plc i/o接線圖和梯形圖，寫出指令程序清單。 3.選擇電器元件，列出電器元件明細(xì)表。 4.上機(jī)調(diào)試程序。5.編寫設(shè)計說明書。 三. 課程設(shè)計的要求 1.所選控制方案應(yīng)合理，所設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)能夠滿足控制對象

3、的工藝要求，并且技術(shù)先進(jìn)，安全可靠，操作方便。 2.所繪制的設(shè)計圖紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)局頒布的gb472884電氣圖用圖形符號、gb698887電氣制圖和gb715987電氣技術(shù)中的文字符號制定通則的有關(guān)規(guī)定。 3.所編寫的設(shè)計說明書應(yīng)語句通順，用詞準(zhǔn)確，層次清楚，條理分明，重點突出，篇幅不少于7000字。主要設(shè)計條件1.plc實驗設(shè)備若干。2.參考文獻(xiàn)若干。設(shè)計說明書裝訂順序1.課程設(shè)計說明書封面。2.課程設(shè)計任務(wù)書。3.說明書目錄。4.正文（按設(shè)計內(nèi)容逐項書寫）。5.參考文獻(xiàn)。6.附錄。7.課程設(shè)計評分表。設(shè)計進(jìn)度安排第1周：1.星期一上午：課題內(nèi)容介紹。2.星期一下午：仔細(xì)閱讀設(shè)計任務(wù)書，明確

4、設(shè)計任務(wù)與要求，收集設(shè)計資料，準(zhǔn)備設(shè)計工具。3.星期二星期五：確定控制方案。繪制搬運機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)的plc i/o接線圖和梯形圖，寫出指令程序清單。設(shè)計控制系統(tǒng)的工藝圖紙。選擇電器元件，列出電器元件明細(xì)表。第2周：4.星期一：上機(jī)調(diào)試程序。5.星期二星期五：編寫設(shè)計說明書,答辯。目 錄第1章 概述21.1 plc簡介21.2 機(jī)械手概述21.3 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 3 第2章 控制方案論4 2.1 搬運機(jī)械手的設(shè)計原理42.2 plc的選取 4第3章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計73.1 傳送帶a,b主電路圖及傳送帶b的控制電路圖73.2 電動機(jī)主電路和控制電路電器元件選擇83.3 plc控制

5、面板及接口電路圖9第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計114.1 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計原理114.2 順序功能圖124.3 程序詳單13第5章 控制系統(tǒng)的調(diào)試19總結(jié)20附錄一 stl語言程序附錄二 參考文獻(xiàn)第1章 概述1.1 plc簡介可編程控制器（programmable logic controller，plc）以微處理器為核心，將微型計算機(jī)技術(shù)、及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有機(jī)地融為一體，是應(yīng)用十分廣泛的工業(yè)自動化控制裝置。plc應(yīng)用技術(shù)具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、使用方便、易于擴(kuò)展等有點，不僅可以取代繼電器控制系統(tǒng)，還可以進(jìn)行復(fù)雜的的生產(chǎn)過程控制以及應(yīng)用于工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)，它已成為現(xiàn)代化工業(yè)控制的四大

6、支柱（可編程控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、cad/cam技術(shù)和數(shù)控技術(shù)）之一。(來自西門子plc快速入門與實踐) 自二十世紀(jì)六十年代美國推出可編程邏輯控制器取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，plc得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時，plc的功能也不斷完善。隨著計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，plc在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的plc不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。通用plc應(yīng)用于專用設(shè)備時可以認(rèn)為它就是一個嵌入式控制器，但plc相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際

7、工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用plc或定制plc取代嵌入式控制器。1.2 機(jī)械手概述機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動機(jī)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(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。機(jī)械手首先是從美國開始研

8、制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。（來自“百度百科”） 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。1.3 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計步驟根據(jù)工藝要求確定被控系統(tǒng)必須完成的動作,確定這些動作之間的關(guān)系及完成這些動作的順序。(2)分配

9、輸入、輸出設(shè)備,即確定哪些外圍設(shè)備是送信號給plc的,哪些外圍設(shè)備是接收來自plc的信號的,同時還要將plc的輸入、輸出點與之一一對應(yīng),對i/o進(jìn)行分配。在此基礎(chǔ)上確定plc的選型。(3)根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求和所選plc的i/o點的情況及高功能模塊的情況,設(shè)計plc用戶程序,此時可采用梯形田、助記符或流程圖語言形式的用戶程序。plc的用戶程序體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系,編程時可用編程器或計算機(jī)直接編程、修改,同時也可對plc的工作狀態(tài)、特殊功能進(jìn)行設(shè)定。(4)對所設(shè)計的plc程序進(jìn)行調(diào)試和修改,直至plc完全實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的控制功能。(5)保存已完成的程序。第2章 控制

10、方案論證2.1 搬運機(jī)械手的設(shè)計原理圖3-1是搬運機(jī)械手工作示意圖。該機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶a上的物品搬運到傳送帶b。為使動作準(zhǔn)確，安裝了限位開關(guān)sq1、sq2、sq3、sq4、sq5。分別對機(jī)械手進(jìn)行抓緊、左旋、右旋、上升、下降等行程的檢測，并給出動作到位的檢測信號。另外還安裝了光電開關(guān)sp。負(fù)責(zé)檢測傳送帶a上的物品是否到位。此外，還設(shè)置了起動按鈕sb1和停止按鈕sb2，分別用以啟動和停止機(jī)械手的動作。 圖3-1 搬運機(jī)械手工作示意圖傳送帶a、b由電動機(jī)m1、m2拖動，m1、m2分別由接觸器km1、km2控制，機(jī)械手的上、下、左、右、抓、放等動作由液壓系統(tǒng)驅(qū)動，并分別由6個電磁閥yv1yv6

11、來控制。2.2 plc的選取由于市場的需求和西門子plc的廣泛應(yīng)用所以我選取的是s7-200.我們對其進(jìn)行簡要說明：s7-200系列是一類可編程邏輯控制器（micro plc）。這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動化控制需要，下圖展示一臺s7-200 micro plc的 cpu22*系列plc的cpu外型圖如圖2，具有緊湊的設(shè)計、良好的擴(kuò)展性、低廉的價格以及強大的指令，使得s7-200可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的cpu類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應(yīng)性。s7-200 cpu模塊包括一個中央處理器單元（cpu）、電源以及數(shù)字量i/o點，這些都被集

12、成在一個緊湊、獨立的設(shè)備中。 圖2-1 s7-200 cpu外型圖1.cpu負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)自動控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制。2.輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點：輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備（例如傳感器或開關(guān)）中采集信號，輸出部分則控制泵、電機(jī)、以及工業(yè)過程中的其他設(shè)備。3.電源向cpu及其所連接的任何模塊提供電力。4.通訊端口允許將s7-200cpu同編程器或一些設(shè)備連接起來。5.狀態(tài)信號燈顯示了cpu的工作模式（運行或停止），本機(jī)的i/o的當(dāng)前狀態(tài)，以及檢查出來的系統(tǒng)錯誤。6.通過擴(kuò)展模塊可以增加cpu的i/o點數(shù)（cpu221不可以擴(kuò)展）。7.通過擴(kuò)展模塊可以提供其通訊功能。8.一些cpu具

13、有內(nèi)置實時時鐘，其他cpu需要實時時鐘卡。9.eeprom卡可以存儲cpu程序，也可以將一個cpu中的程序傳送到另一個cpu中。10.通過可選的插入式電池盒可延長ram中的數(shù)據(jù)存儲時間。圖2-1展示了一個基本的s7-200 micro plc.它包括一個s7-200 cpu 模塊,一臺個人計算機(jī)(pc),step 7-micro/win32(3.1版)編程軟件,以及一條通訊電纜.為了使用個人計算機(jī)(pc),你必須以下一種設(shè)備:一條pc/ppi 電纜；一個通訊處理器(pc)和多點接口(mpi)電纜；一塊mpi卡,隨mpi卡提供一根通訊電纜。圖2-2 s7-200 micro plc 系統(tǒng)的組成第

14、3章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1傳送帶a,b的主電路圖及傳送帶b的控制電路圖根據(jù)傳送帶a，b的運行要求設(shè)計其主電路圖如下：圖3-4 傳送帶a,b的主電路圖根據(jù)傳送帶b的運行要求設(shè)計其控制電路入下圖：圖3-5 傳送帶b的控制電路圖3.2 電動機(jī)主電路和控制電路電器元件選擇序號代號名稱數(shù)量規(guī)格型號1m1、m2電動機(jī)2jq2-z1-42fr1、fr2熱繼電器2t163yv1-yv6電磁閥63qs電源開關(guān)1hz10-10/34sb1-sb9按鈕95plc可編程控制器1cpu2266km1、km2接觸器2cj20-257sp光電開關(guān)18qf斷路器19sq1-sq5行程開關(guān)5lxk2-1313.3 控制面

15、板及接口電路圖3-2 操作面板機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點之外，還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當(dāng)旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當(dāng)旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。根據(jù)機(jī)械手控制系統(tǒng)的要求設(shè)計出plc的i/o接口圖如下：圖3-3 plc外部接線圖第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計原理本控制系統(tǒng)是通過主程序控制，來實現(xiàn)機(jī)械手的上、下、左、右、抓、放等動作由液壓系統(tǒng)驅(qū)動，而且啟動時，機(jī)械手按照步序圖的工步順序動作；停止時，機(jī)械手停止在

16、現(xiàn)行工步上。重新啟動時機(jī)械手從停止前一瞬間的動作繼續(xù)進(jìn)行；pc斷電時的要求與停止時的要求一致。圖4-1 搬運機(jī)械手動作步序圖4.2 順序功能圖4.3 程序清單主程序ob1：公用子程序sbr0：自動子程序sbr1：手動子程序sbr2：第5章 控制系統(tǒng)的調(diào)試 由于條件限制，只能進(jìn)行控制系統(tǒng)的模擬調(diào)試。首先根據(jù)自己的電路設(shè)計要求，將plc的各個端口線路接好，并進(jìn)行電路檢查，確認(rèn)接線無誤。然后在電腦中運行s7-200的編程軟件step-7-micro/win，將自己編寫好的程序輸入到程序編輯器中，編譯直至沒有錯誤，將編譯好的程序下載到plc中。程序下載完畢，先令機(jī)械手停在原點，原點指示燈亮，設(shè)定為連續(xù)

17、工作方式。按下啟動按鈕，去掉上限位信號，原點指示燈熄滅，下行指示燈亮，撥動下限位開關(guān)，下行燈滅。給一個sp信號，夾緊信號燈亮。來一個夾緊限位信號，夾緊信號燈滅，上行燈亮。給定上限位信號，右旋燈亮。去掉左限位信號，給定右限位信號，下行燈亮。給定下限位信號，機(jī)械手松開信號燈亮，然后熄滅，機(jī)械手上行燈亮。來一個上限位信號，上行燈滅，左旋燈亮，去掉右限位信號。原點指示燈亮，機(jī)械手停在原點，重復(fù)操作，機(jī)械手可繼續(xù)重復(fù)上述操作，連續(xù)工作方式成立。將機(jī)械手打到單周期工作方式，進(jìn)行上述操作，機(jī)械手回到原點后重復(fù)操作，機(jī)械手不再動作，單周期工作方式成立。進(jìn)行手動方式調(diào)節(jié)，可以發(fā)現(xiàn)上行和下行動作只有在左限位或者右

18、限位開關(guān)有信號是才可以；左旋和右旋只有在上限位開關(guān)有信號時，才可以動作，這樣可以防止誤操作引起不必要的麻煩。將上行和下行的寄存器、左旋和右旋的寄存器分別互鎖，以免引起誤動作?？偨Y(jié)兩周多的時間，完成了課程設(shè)計的任務(wù)，實現(xiàn)了機(jī)械手所需的功能。當(dāng)然其中也遇到了很多問題，好在都一一解決了。在整個設(shè)計過程中，對設(shè)計的規(guī)劃很重要，先進(jìn)行什么，后完成什么，這個必須先弄清楚。由于在設(shè)計步驟的上的忽視，急于動手，自己也走了不少彎路。大致的設(shè)計流程在有了時序步驟的圖之后還是清楚的，但是細(xì)節(jié)問題上就不是我們能夠處理的了。就拿我們的課題機(jī)械手來說，要考慮許其他的方面，例如在工件未搬完前，如何實現(xiàn)停止，工件搬完后，如何回到初始，或者是繼續(xù)下次的循環(huán)。這些都是在設(shè)計時我們需要自己斟酌的問題。搬運機(jī)械手的優(yōu)點已經(jīng)不言而喻。能夠在機(jī)械幫助而不需要手動的情況下搬運一些工件，且在電機(jī)拖動下，能夠時間定時、定量的搬運，不僅提高了