機(jī)電控制PLC設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 機(jī)電控制 課程 課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱： 機(jī)電控制plc設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2010 12 10 內(nèi)容摘要機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常用到的一種能夠自動(dòng)抓取、操作的裝置，多用于自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)機(jī)的上下料、數(shù)控設(shè)備的自動(dòng)換刀裝置中。由于氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮空氣為介質(zhì)，以氣源為動(dòng)力的能源傳遞技術(shù)，其工作可靠性高、使用壽命長、對(duì)環(huán)境沒有污染，所以在機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常采用氣動(dòng)技術(shù)。氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。因

2、此，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的研究具有重要的實(shí)際價(jià)值。關(guān)鍵詞：機(jī)械手 plc 自動(dòng)控制 氣動(dòng)技術(shù)目錄第一章 引言 3第二章 plc的發(fā)展2.1 plc的由來和發(fā)展 32.2 可編程控制器的概念 42.3 plc基本結(jié)構(gòu)和工作原理 5第三章 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 i/o地址分配表 7 3.2 plc系統(tǒng)選擇 73.3 plc的輸入輸出設(shè)備接線圖 73.4系統(tǒng)控制方案流程圖 93.5程序設(shè)計(jì)和梯形圖 10第四章 總結(jié) 總結(jié) 19致謝 20參考文獻(xiàn) 21第一章 引言引言plc技術(shù)代表了當(dāng)今電氣程序控制的世界先進(jìn)水平。它與數(shù)控技術(shù)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已成為機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化和cim的三大支柱。據(jù)預(yù)測(cè)，在90年代，

3、美、日、德等發(fā)達(dá)國家的控制屏將完全由plc所占據(jù)。由于plc吸收了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，發(fā)展十分迅速，使它已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單純?nèi)〈^電器的應(yīng)用領(lǐng)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制的范疇，在從單機(jī)自動(dòng)化到整條生產(chǎn)線自動(dòng)化，乃至整個(gè)工廠的生產(chǎn)自動(dòng)化；從fms、工業(yè)機(jī)器人到大型分散型控制系統(tǒng)中都擔(dān)當(dāng)著重要角色。第二章 plc的發(fā)展2.1 plc的由來和發(fā)展1968年美國最大的汽車制造商通用汽車公司（gm），為了適應(yīng)汽車型號(hào)不斷更新的要求，以在激烈的競爭的汽車工業(yè)中占有優(yōu)勢(shì)，提出要研制一種新型的工業(yè)控制裝置來取代繼電器控制裝置，為此，特?cái)M定了十項(xiàng)公開招標(biāo)的技術(shù)要求，即：1） 編程簡單方便，可在現(xiàn)場修改程序；2

4、） 硬件維護(hù)方便，最好是插件式結(jié)構(gòu)；3） 可靠性要高于繼電器控制裝置；4） 體積小于繼電器控制裝置；5） 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)；6） 成本上可與繼電器柜競爭；7） 輸入可以是交流115v；8） 輸出為交流115v，2a以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥；9） 擴(kuò)展時(shí)，原有系統(tǒng)只需做很小的改動(dòng)；10） 用戶程序存儲(chǔ)器容量至少可以擴(kuò)展到4kb。根據(jù)招標(biāo)要求，1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）研制出世界上第一臺(tái)plc（pdp14型 ），并在通用汽車公司自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制新時(shí)期。plc問世以來，其發(fā)展極為迅速。由最初的1位機(jī)發(fā)展為8位機(jī)，現(xiàn)在的大型plc已采用了32位微處理器

5、，可同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)操作，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前，世界上有plc生產(chǎn)廠200多家，比較著名的有美國的a-b公司、通用電氣公司，日本的三菱、松下電工、歐姆龍，德國的西門子，法國的施耐德等。生產(chǎn)的plc品種繁多，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也極快，著名的生產(chǎn)公司幾乎每12年即可推出一種新產(chǎn)品。plc的結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，功能日益增強(qiáng)，性能價(jià)格比越來越高。展望未來，plc在規(guī)模和功能上正朝著兩個(gè)方向發(fā)展。一方面，大型plc不斷向大容量、高速度、多功能的方向發(fā)展，能取代工業(yè)控制微機(jī)對(duì)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的自動(dòng)控制。另一方面，小型plc向超小型、簡易、廉價(jià)方向發(fā)展，能真正完全取代最小的繼電接觸器系統(tǒng)，適應(yīng)單機(jī)、數(shù)控機(jī)床

6、和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域的控制要求。另外，不斷增強(qiáng)plc的聯(lián)網(wǎng)通信功能，便于分散控制與集中控制的實(shí)現(xiàn)；大力開發(fā)智能i/o模塊，極大地增強(qiáng)plc的過程控制能力，提高它的適應(yīng)性和可靠性；不斷使plc的編程語言與編程工具向標(biāo)準(zhǔn)化和高級(jí)化方向發(fā)展2.2可編程控制器概述(1)可編程控制器是當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的一種新型自動(dòng)控制裝置，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是plc出現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)，gm10是促使其問世的直接原因。目前，plc正向著標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、大容量、高速度、多功能等方面發(fā)展。 (2) plc專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、通用性好、功能強(qiáng)、編程簡單、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，主

7、要應(yīng)用于開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)字控制及通信聯(lián)網(wǎng)等到領(lǐng)域。 (3) plc按結(jié)構(gòu)形式分為整體式和模塊式兩類；按功能和i/o點(diǎn)數(shù)可分為低檔機(jī)（小型、超小型）、中檔機(jī)（中型）、高檔機(jī)（大型、超大型）三類。衡量plc性能的指標(biāo)主要有：i/o總點(diǎn)數(shù)、用戶程序存儲(chǔ)容量、指令總數(shù)、掃描速度、內(nèi)部寄存器配置及特殊功能模塊等。 (4) plc常用的編程語言有梯形圖、語句表、流程圖及高級(jí)語言等，其中梯形圖、語句表最常用。 (5) plc主要由cpu、存儲(chǔ)器、i/o模塊、電源模塊、i/o擴(kuò)展模塊、外設(shè)接口及編程器等部分組成；軟件部分包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件兩大部分。(6) plc的工作方式是采用循環(huán)掃描工作方式，

8、每一循環(huán)包含了自診斷、與編程器等的通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新五個(gè)階段。小型plc使用集中輸入、集中輸出工作方式，這大大提高了plc工作的可靠性和抗干擾能力。 (7) 掃描周期的大小與掃描速度、用戶程序長短、i/o點(diǎn)數(shù)及其刷新速度、連接外設(shè)的多少等因素有關(guān)。 (8) 繼電接觸器控制采用硬邏輯“并行”運(yùn)行的方式，而可編程序控制器采用循環(huán)掃描的工作方式，其邏輯關(guān)系是用程序?qū)崿F(xiàn)而不是實(shí)際電路。 2.3 pcl的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 2.3.1 plc的工作方式 plc對(duì)用戶程序的執(zhí)行采用循環(huán)掃描的工作方式。 plc開始運(yùn)行時(shí)，cpu對(duì)用戶程序作周期性循環(huán)掃描，在無跳轉(zhuǎn)指令或中斷的情況下，cp

9、u從第一條指令開始順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束，然后又返回第一條指令開始新的一輪掃描，并周而復(fù)始地重復(fù)。在每次掃描過程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采集和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。 2.3.2 plc的工作原理plc采用循環(huán)掃描的工作方式，這是有別于微型計(jì)算機(jī)、繼電接觸器控制的重要特點(diǎn)。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。繼電接觸器控制系統(tǒng)采用硬邏輯“并行”運(yùn)行的方式。plc采用循環(huán)掃描的工作方式，在工作過程中，如果某個(gè)軟繼電器的線圈接通，該線圈的所有常開和常閉觸點(diǎn)并不一定會(huì)立即動(dòng)作，只有cpu掃描到該接點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作：其常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合。也就是說，plc在任一時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，是

10、以“串行”方式工作，這樣便避免了繼電接觸器控制的觸點(diǎn)競爭和時(shí)序失配問題。2.3.3 plc的工作過程plc整個(gè)工作過程包含五個(gè)階段：自診斷、與編程器等進(jìn)行通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新。plc的工作過程框圖輸入和輸出映像寄存器是在plc的ram工作區(qū)中將一特定區(qū)域的存儲(chǔ)單元作為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器的存儲(chǔ)區(qū)。輸入映像寄存器中存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)位輸入“繼電器”的通/斷狀態(tài)。高電平“1”為通，低電平“0”為斷。此處“繼電器”是指由系統(tǒng)軟件程序賊予的具有繼電器功能的“軟繼電器”。每位輸入映像寄存器也對(duì)應(yīng)著plc每個(gè)實(shí)際輸入端的通/斷狀態(tài)。輸入映像寄存器的內(nèi)容只能被plc中的cpu讀出，而不能

11、被改寫。輸出映像寄存器單元存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)位輸出寄存器的狀態(tài)。在執(zhí)行用戶程序時(shí)，輸出映像寄存器既可被plc的cpu讀出，又可被cpu改寫。 （1）輸入映像寄存器的狀態(tài)取決于各輸入端子在上一個(gè)刷新期間的狀態(tài)；（2）程序執(zhí)行階段所需的輸入、輸出狀態(tài)，由輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出；（3）輸出映像寄存器的內(nèi)容由程序中輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定；（4）輸出鎖存器中的內(nèi)容由上一次輸出刷新時(shí)輸出映像寄存器的狀態(tài)決定；（5）各輸出端子的通斷狀態(tài)由輸出鎖存器的內(nèi)容來決定。 第三章 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 i/o地址分配表輸入信號(hào)分配信號(hào)名稱元件名稱元件符號(hào)地址編碼下降停止下限位開關(guān)sq1i0.1上升停止上限

12、為開關(guān)sq2i0.2右行停止右限位開關(guān)sq3i0.3左行停止左限位開關(guān)sq4i0.4上升上升按鈕sb4i0.5左行左行按鈕sb6i0.6松開松開按鈕sb8i0.7下降下降按鈕sb3i1.0右行右行按鈕sb5i1.1夾緊夾緊按鈕sb7i1.2手動(dòng)操作手動(dòng)開關(guān)i2.0回原點(diǎn)操作回原點(diǎn)開關(guān)i2.1單步操作單步開關(guān)i2.2單周期操作單周期開關(guān)i2.3連續(xù)操作連續(xù)開關(guān)i2.4啟動(dòng)啟動(dòng)按鈕sb1i2.6停止停止按鈕sb2i2.7 輸出信號(hào)信號(hào)名稱元件名稱元件符號(hào)地址編碼下降下降電磁閥yv1q0.0夾松夾松電磁閥yv5q0.1上升上升電磁閥yv2q0.2右行右行電磁閥yv3q0.3左行左行電磁閥yv4q0.

13、43.2 plc系統(tǒng)選擇根據(jù)i/o選分配查閱手冊(cè)選擇s7-200 cpu226基本單元（24入/16出）1臺(tái) 3.3 plc的輸入輸出設(shè)備接線圖(見下頁)3.4系統(tǒng)控制方案流程圖原理：接通電源是系統(tǒng)啟動(dòng)開始掃描，掃描手動(dòng)式判斷手動(dòng)按鈕的是執(zhí)行手動(dòng)操作，掃描回原點(diǎn)開關(guān)，是執(zhí)行回原點(diǎn)操作，掃描單步開關(guān)，是執(zhí)行單步操作，掃描單周期開關(guān)，是檢測(cè)是否在原點(diǎn)，是執(zhí)行單周期操作，掃描連續(xù)操作，是檢測(cè)是否在原點(diǎn)，是執(zhí)行連續(xù)操作。除了連續(xù)操作以外，其他操作執(zhí)行完以后自動(dòng)重新掃描?；卦c(diǎn)手動(dòng)開始n手動(dòng)程序y單步n回原點(diǎn)程序yyn是否在原點(diǎn)yy單步程序等待檢查nn是否在原點(diǎn)單周期yy單周期程序等待檢查是否在原點(diǎn)連續(xù)

14、nny停止連續(xù)程序等待檢查yn ny3.5程序設(shè)計(jì)和梯形圖3.5.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與工作方式 機(jī)械手用來將工件從a點(diǎn)搬運(yùn)到b點(diǎn)，輸出q0.1為1時(shí)工件被夾緊，為0時(shí)背松開。工作方式選擇開關(guān)的5個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)于5種工作方式，操作面板左下部的6個(gè)按鈕式手動(dòng)按鈕。為了保證在緊急情況下（包括plc發(fā)生故障時(shí)）能可靠地切斷負(fù)載電源，設(shè)置了交流接觸器km。plc開始運(yùn)行時(shí)按下“負(fù)載電源”按鈕，使km線圈得電并自鎖，km的主觸點(diǎn)接通，給外部負(fù)載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時(shí)用“緊急停車”按鈕斷開負(fù)載電源。 系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、單周期、連續(xù)、單步和回原點(diǎn)五種工作方式。 在手動(dòng)工作方式下，用i0.5i1.2對(duì)應(yīng)的6個(gè)按

15、鈕分別獨(dú)立控制機(jī)械手的升、降、左右行和夾緊松開。 在單周期的工作方式下，按下啟動(dòng)按鈕i2.6后，從初始步m0.0開始，機(jī)械手按順序功能圖的規(guī)定完成一個(gè)周期的工作后，返回并停留在初始步。 在單步工作方式下，從初始步開始，按一下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成該步的任務(wù)后，自動(dòng)停止工作并停留在該步，再按一下啟動(dòng)按鈕，又往前走一步。單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試。3.5.2程序的總體結(jié)構(gòu)（見下圖）下圖是主程序機(jī)構(gòu)圖，sm0.0的常開觸點(diǎn)一直閉合，公用程序是無條件執(zhí)行的。在手動(dòng)工作方式下，i2.0為on，執(zhí)行手動(dòng)子程序。在自動(dòng)回原點(diǎn)方式下，i2.1為on，執(zhí)行回原點(diǎn)子程序，在其他3種工作方式下執(zhí)行自動(dòng)子

16、程序。 公用ensm0.0 手動(dòng)eni0.2i2.1 回原點(diǎn)eni2.4 自動(dòng)eni2.3i2.2 主程序結(jié)構(gòu)3.5.3梯形圖(1)公用程序公用程序見下圖用于處理各種工作方式都要執(zhí)行的任務(wù)，以及處理不同工作方式之間的轉(zhuǎn)換。左限位開關(guān)i0.4、上限位開關(guān)i0.2的常開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手松開的m4.5的常閉觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，原點(diǎn)條件m0.5變?yōu)閛n。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)位置狀態(tài)，在開始執(zhí)行用戶程序、系統(tǒng)處于手動(dòng)或者自動(dòng)回原點(diǎn)狀態(tài)，初始步對(duì)應(yīng)的m0.0將被置位，進(jìn)入單步、單周期和連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備。當(dāng)初始位m0.0為off時(shí)，也就是說初始位不在原點(diǎn)，無論如何按啟動(dòng)按鈕都不會(huì)執(zhí)行自動(dòng)操作。(2) 手動(dòng)

17、程序?yàn)榱吮ＷC安全運(yùn)行，在手動(dòng)程序中設(shè)置了一些必要的連鎖：設(shè)置上升與下降之間,左行與右行之間的互鎖,以防止功能相反的兩個(gè)輸出同時(shí)為on.有限位開關(guān)限制機(jī)械手移動(dòng)的范圍。（3）自動(dòng)程序單周期、連續(xù)和單步操作這3種工作方式主要是用連續(xù)標(biāo)志m0.7和轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志m0.6來區(qū)分的。在單步運(yùn)行過程中按一下氣動(dòng)按鈕m0.6瞬間帶電，執(zhí)行一步操作程序形成自鎖，再按下啟動(dòng)按鈕進(jìn)行下一步操作。在連續(xù)操作時(shí)，機(jī)械手在原位，按下啟動(dòng)按鈕，順序進(jìn)行下降，夾緊，上升，右行，下降，松開，上升，左行，下降進(jìn)行連續(xù)操作。在單周期操作時(shí)，回到左位后，機(jī)械手不再下降，完成一個(gè)周期。（4）回原點(diǎn)程序在自動(dòng)回原點(diǎn)工作方式下，i2.1為

18、on。按下啟動(dòng)按鈕i2.6，m1.0變?yōu)閛n,機(jī)械手上升，上升到上限位開關(guān)時(shí)i0.2為on，機(jī)械手左行，到左限位開關(guān)時(shí)，i0.4變?yōu)閛n，將步m1.1復(fù)位，同時(shí)將m4.2復(fù)位，機(jī)械手松開。（5）說明程序由于s7-200plc的順控指令不支持直接輸出的雙線圈操作，所以要用中間繼電器邏輯過度一下，如本題的機(jī)械手下降，上行，夾緊、松開、左行、右行等都需要用中間繼電器過渡。第四章 總 結(jié)總 結(jié)通過本次設(shè)計(jì)，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實(shí)際，與具體項(xiàng)目、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我們懂得了在實(shí)踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在本次設(shè)計(jì)中，我們還需要大量的以前沒有

19、學(xué)到過的知識(shí)，于是圖書館成了我很好的助手。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關(guān)知識(shí)，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學(xué)習(xí)的知識(shí)是有限的，在以后的工作中我們肯定會(huì)遇到許多未知的領(lǐng)域，這方面的能力便會(huì)使我們受益非淺。在設(shè)計(jì)過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題的時(shí)候，需要做大量的工作，花大量的時(shí)間才能解決。自然而然，我的耐心便在其中建立起來了。為以后的工作積累了經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)了信心。由于設(shè)計(jì)水平有限和時(shí)間的倉促，本文中難免有錯(cuò)誤和不妥之處，請(qǐng)給予批評(píng)指正。致 謝首先，我感謝薛老師。本設(shè)計(jì)文是在薛老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的

20、每個(gè)階段，從確定命題查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，論文寫作等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我對(duì)薛老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。本課題在選題及研究過程中老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，給以終生受益無窮之道。老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對(duì)我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識(shí)、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。在他的引導(dǎo)下，我認(rèn)識(shí)了有了設(shè)計(jì)的思路，極大的開拓了我的學(xué)術(shù)視野，也為本篇設(shè)計(jì)打下了理論基礎(chǔ)。在這次設(shè)計(jì)中老師又給我提出了許多寶貴的意見。