PLC機械手控制

1、PLC系統(tǒng)實訓設計報告（20142015學年 第二學期）系 別 信息與控制工程 題 目 PLC機械手控制 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學 號 姓 名 指導教師 完成時間 2015年7月8日 評定成績 目 錄引言 PLC概況11 可編程序控制器的應用和發(fā)展概況12 PLC的應用概況13 PLC的特點2第一章 機械手概況31.1搬運機械手的應用簡況31.2機械手的應用意義31.3機械手的發(fā)展概況41.4機械手的發(fā)展趨勢5第二章 設計內(nèi)容及要求62.1 設計要求62.2 控制要求62.3 機械手動作的模擬7第三章 硬件設計83.1 電動機83.2 PLC選型8第四章 軟件設計94.1 工作過

2、程分析94.2 PLC 外部輸入輸出接線圖104.3 I/O分配11第五章 設計體會11參考文獻13附錄14引言 PLC概況1 可編程序控制器的應用和發(fā)展概況可編程序控制器（programmable controller），現(xiàn)在一般簡稱為PLC（programmable logic controller），它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數(shù)字技術、通 信網(wǎng)絡技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)

3、的繼電器控制具有結(jié)構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產(chǎn)工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。2 PLC的應用概況PLC的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的PLC幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。 按PLC的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。1）. 用于邏輯控制這是PLC最基本，也是最廣泛的應用方面。用PLC取

4、代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2）. 用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對模擬量控制。3）. 用于機械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代PLC具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制（NC）及計算機控制（CNC）緊密結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字控制。 4）. 用于工業(yè)機器人控制 5）. 用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的PLC具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡。3 PLC的特點1）. 可靠性高、抗干擾能力強 PLC能

5、在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，PLC的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的F1系列PLC平均無故障時間間隔長達30萬h，這是一般微機所不能比擬的。2）. 控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強 由于PLC是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變PLC的硬件設備，只需相應改變軟件程序。3）. 編程簡單、使用、維護方便4）. 組合方便、功能強、應用范圍廣 PLC既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。因此，PLC應用范圍很廣。5）. 體

6、積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約1.2KW。第一章 機械手概況1.1搬運機械手的應用簡況 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。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5

7、。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。 國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面： 1.熱加工方面的應用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。 2.冷加工方面的應用 冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床

8、上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)接的重要于段。 3.拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。 近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。1.2機械手的應用意義在機械工業(yè)

9、中，機械手的應用意義可以概括如下：1. 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度2. 可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。1.3機械手的發(fā)展概況 專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，

10、而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域也在不斷地擴大。 早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關節(jié)式的第一代機械手。 5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。 6070年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。 8

11、0-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。 90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務業(yè)、軍事領域上有較大的應用。 90年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機械手技術也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程

12、中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 1.4機械手的發(fā)展趨勢 目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高

13、精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸

14、覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。 手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術的發(fā)展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配。 現(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。第二章 設計內(nèi)容及要求2.1 設計要求1熟悉課題工作原理 2設計方案論證，系統(tǒng)建立，電器原理控制設計。3元器件的選擇，硬件設計，軟件設計。4設計評測。2

15、.2 控制要求 本實驗是將工件由A處傳送到B處的機械手，上升/下降和左移/右移的執(zhí)行用雙線圈二位電磁閥推動氣缸完成。當某個電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的機械動作，例如一旦下降的電磁閥線圈通電，機械手下降，即使線圈再斷電，仍然保持現(xiàn)有的下降動作狀態(tài)，直到相反方向的線圈通電為止。另外，夾緊/放松由單線圈二位電磁閥推動氣缸完成，線圈通電執(zhí)行夾緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。設備裝有上、下限位和左、右限位開關，限位開關用鈕子開關來模擬，所以在實驗中應為點動。電磁閥和原位指示燈用發(fā)光二極管來模擬。本實驗的起始狀態(tài)為原位（即SQ2和SQ4應為ON，啟動后馬上打到OFF），它的工作過程如圖2.1所示，有八

16、個動作，即為： 圖2.1 動作順序圖2.3 機械手動作的模擬 圖2.2 機械手動作模擬2.4 控制過程要求 按起動后，傳送帶A運行直到按一下光電開關才停止，同時機械手下降。下降到位后機械手夾緊物體，2s后開始上升，而機械手保持夾緊。上升到位左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)到位下降，下降到位機械手松開，2s后機械手上升。上升到位后，傳送帶B開始運行，同時機械手右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)到位，傳送帶B停止，此時傳送帶A運行直到按一下光電開關才完成一次循環(huán).第三章 硬件設計3.1 電動機 三相異步電動機運行性能好，并可節(jié)省各種材料?；\式轉(zhuǎn)子的異步電動機結(jié)構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用，其主要缺點是調(diào)速困難。三相異步

17、電動機根據(jù)工作要求不同，主要進行降壓啟動、正反轉(zhuǎn)、自動循環(huán)、制動、變速等不同控制，該設計要求把對電動機的上述控制采用PLC控制來實現(xiàn)，使系統(tǒng)的性能更完善。此次選擇的電動機為三相異步電動機型號YB160L-2，功率18.5KW，額定電壓380V，額定電流35.5A，轉(zhuǎn)速2930r/min，接法。 3.2 PLC選型 PLC產(chǎn)品的種類繁多。PLC的型號不同,對應著其結(jié)構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等均各不相同,適用的場合也各有側(cè)重。因此,合理選用PLC,對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標有著重要意義。PLC的選擇主要應從PLC 的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信

18、聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下,力爭最佳的性能價格比。選擇時應主要考慮到合理的結(jié)構型式,安裝方式的選擇,相應的功能要求,響應速度要求,系統(tǒng)可靠性的要求,機型盡量統(tǒng)一等因素.此次選擇西門子公司的S7-200 系列PLC(CPU226)。第四章 軟件設計4.1 工作過程分析在整體結(jié)果中使用跳轉(zhuǎn)指令，手動指令 I1.0 打開時，執(zhí)行手動程序；在單 周期指令I0.5打開時， 執(zhí)行周期程序； 在連續(xù)指令I0.6打開時， 執(zhí)行連續(xù)指令。 則程序整體結(jié)構見附錄1： 1）單周期工作過程分析 當機械手處于原位時， 上升限位開關I0.2、 左限位開

19、關I0.4均處于接通 （ “1” 狀態(tài)），移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端接通，使 M1.0 置“1”，HL 線圈接通，原位指示 燈亮。輸入SB5 SB6 SB7 SB8 動作手動操作 手動操作左右 手動操作夾松 手動操作上下接線 I1.0 、I1.1 、I1.2、 I1.3 。按下啟動按鈕，I0.0 置“1”，產(chǎn)生移位信號，M0.1的“1”態(tài)移至 M1.1，下降閥輸出繼電器Q0.2接通，執(zhí)行下降動作，由于上升限位開關I0.2斷開，M1.0 置“0”，原位指示燈滅。 當下降到位時，下限位開關 I0.1 接通，產(chǎn)生移位信號，M1.0 的“0”態(tài)移 位到M1.1，下降閥Q0.2斷開，機械手停止下降，M1.1的

20、“1”態(tài)移到M1.2，M1.2 線圈接通，M1.2 動合觸點閉合，夾緊電磁閥 Q0.1 接通，執(zhí)行夾緊動作，M2.1 接通，同時啟動定時器 T37，延時 1.7 秒。機械手夾緊工件后，T37 動合觸點接 通，產(chǎn)生移位信號，使 M1.3 置“1” ，上升電磁閥 Q0.3 接通，I0.1 斷開，M2.2 斷開，切斷定時器T37，執(zhí)行上升動作。由于使用S指令，M1.2線圈具有自保持 功能，Q0.1保持接通，機械手繼續(xù)夾緊工件。 當上升到位時，上限位開關I0.2接通，產(chǎn)生移位信號， “0”態(tài)移位至M1.3， Q0.3 線圈斷開，不再上升，同時移位信號使 M1.4 置“1” ， I0.4 斷開，右移閥

21、繼電器Q0.4接通，執(zhí)行右移動作。待移至右限位開關動作位置，I0.3 動合觸點接通，產(chǎn)生移位信號，使 M1.3 的“0”態(tài)移位到M1.4，Q0.4線圈斷開，停止右移，同時M1.4的“1”態(tài)已移到 M1.5，Q0.2線圈再次接通，執(zhí)行下降動。當下降到使I0.1動合觸點接通位置，產(chǎn)生移位信號，“0”態(tài)移至M1.5，“1” 態(tài)移至M1.6，Q0.2線圈斷開，停止下降，R指令使M1.2復位，Q0.1線圈斷開， 機械手松開工件；M2.2 接通，同時T1 啟動延時1.5 秒，T38 動合觸點接通，產(chǎn) 生移位信號，使M1.6變?yōu)椤?”態(tài)，M1.7為“1”態(tài)，Q0.3線圈再度接通，I0.1 斷開，同時，M2.

22、2斷開，切斷定時器T38，機械手又上升，行至上限位置，I0.2 觸點接通，M1.7變?yōu)椤?”態(tài)，M2.0為“1”態(tài)，Q0.3線圈斷開，停止上升，I0.4 線圈接通，Q0.5接通，I0.2斷開，左移。到達左限位開關位置，I0.4觸點接通，M2.0變?yōu)椤?”態(tài)，M1.0為“1”態(tài)， 移位寄存器全部復位，機械手回到原位，完成一個工作周期。 接通 I0.7，則 M1.0，M1.1，M1.2，M1.3，M1.4，M1.5，M1.6，M1.7，M2.0 被置為“0狀態(tài)”。再次按下啟動按鈕，將重復上述動作。此為單周期操作。 2）連續(xù)工作 連續(xù)工作操作，只需在單周期返回程序改為： 到達左限位開關位置，I0.4

23、觸點接通，M2.0變?yōu)椤?”態(tài)，M1.1為“1”態(tài)，移位寄存器全部復位，機械手下降。自動程序控制圖見附錄二。 3）手動操作 左右運行時，接通手動左右移位開關 T1.1，斷開其他運行方向的開關，按 下啟動按鈕機械手右行，按下停止按鈕機械手左行。夾緊與松開時，接通手動夾送移位開關 T1.2, 斷開其他運行方向的開關， 按下啟動按鈕機械手夾緊，按下停止按鈕機械手松開。上下運行時，接通手動上下移位開關T1.3 斷開其他運行方向的開關，按下 啟動按鈕機械手上升，按下停止按鈕機械手下降。手動操作程序圖件附錄三。4.2 PLC 外部輸入輸出接線圖圖5 PLC外部接線輸出圖4.3 I/O分配輸入點： 輸出點： 啟動按鈕 SB1 I0.0 原始位開關 HL Q0.5 停止按鈕 SB2 I0.5 抓球電磁鐵 YV2 Q0.1 下限為開關 SQ1 I0.1 下行接觸器 YV1 Q0.0 上限位開關 SQ2 I0.2 上行接觸器 YV3 Q0.2 右限位開關 SQ3 I0.3 右行接觸器 YV