机械手动作模拟控制系统设计叶磊Word文档格式.docx

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下达任务书日期:

2014年12月29日

目录

一、摘要4

二、PLC控制系统程序设计5

三、设计内容及要求5

1.设计要求5

四、机械手动作模拟设计5

1.机械原理5

五、硬件设计6

1.硬件选型，根据PLC的输入、出点数，控制功能选择适用型号的PLC6

2.PLC容量选择8

3.I/O模块的选择9

4.I/O接口的配置10

5.电源模块的选择11

6.设备及元器件的选择12

7.I/O接口的配置12

8.主控电路图13

9.机械手动作PLC的硬件连接图13

六、机械手动作的模拟实验13

1.模拟实验面板图13

2.输入/输出接线列表14

3.控制过程14

4.工作过程分析15

七、运行调试17

1.实验步骤17

八、控制流程图18

18

九、实验结果图19

十、实验心得20

十一、参考文献21

十二、附录22

1、摘要

随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及。

机械手：

mechanicalhand，也被称为自动手，autohand能模仿人手和臂的某些动作功能，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，可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。

因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；

按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；

按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

就个人而言，希望通过这次毕业设计对未来将从事的工作进行一次适应训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础。

由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请老师给予指教。

关键词：

PLC控制机械手三菱FX2N

2、

PLC控制系统程序设计

在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。

PLC程序设计的主要步骤是：

①对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。

对于简单的控制系统，也可省去这一步。

②设计梯形图。

这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。

要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

③根据梯形图编制语句表程序清单。

④用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。

⑤对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。

⑥待控制台（柜）及现场施工完成后，就可以进行联机调试。

如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。

⑦编制技术文件。

⑧交付使用。

3、设计内容及要求

1.设计要求

1）熟悉课题工作原理

2）设计方案论证，系统建立，电器原理控制设计。

3）元器件的选择，梯形图的设计（控制分析）。

4）完成设计图纸，完成设计任务书。

5）设计评测。

4、机械手动作模拟设计

1.机械原理

机械手将一工件由A处传送到B处，中间需经过上升/下降和左移/右移灯动作，这些动作通过双线圈二位电磁阀推动气缸完成。

当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，机械手仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。

另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电执行放松动作。

设备装有上、下限位和左右限位开关，它的工作过程共有八个动作

X001：

下限开关Y000：

下降电磁阀Y004：

左移电磁阀

X002：

上限开关Y001：

夹紧电磁阀Y005：

原位指示灯

X003：

右限开关Y002：

上升电磁阀Y003：

右移电磁阀

X004：

左限开关

5、硬件设计

1.硬件选型，根据PLC的输入、出点数，控制功能选择适用型号的PLC

1）3.1.1PLC机型选择

机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。

具体应考虑的因素如下所述。

（1）结构合理

对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；

否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。

（2）功能强、弱适当

对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，三菱FX2N系列机。

（3）机型统一

PLC的结构分为整体式和模块式两种。

整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。

但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。

一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。

一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。

由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；

另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；

其外部设备通用也有利于资源共享。

若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。

（4）是否在线编程

PLC的特点之一是使用灵活。

当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。

PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。

离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。

（5）PLC的环境适应性

由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。

尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。

一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：

温度工作温度0～55℃，最高为60℃

储存温度-40℃～＋85℃

湿度相对湿度5%～95%（无凝结霜）

振动和冲击满足国际电工委员会标准

电源交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz

瞬间停电保持l0ms

环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。

根据邮件分捡机的工艺流程和控制系统。

考虑综合情况和外部因素，我决定采用三菱FX2N系列PLC。

FX2N配置灵活，除主机单元外，还可以扩展I/0模块，A/D模块，D/A模块和其它特殊功能模块。

本系统设计需I/048点（输入24点，输出24点）。

主机采用小型化基本单元FX2N-48MR。

FX2N指令功能丰富，有各种指令性107条，且指令执行速度快。

FX2NPLC可用内部辅助继电器M，肤态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器（C235等）能接受脉冲编码器的脉冲。

FX2NPLC的体积比FX2PLC小50%以上，但控制功能和性能相同。

FX2NPLC的编程，可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSEMEDOC进行。

编程语言可用梯形图或指令表。

尤其是可用PC机对系统实时进行监控。

为调试和维护提供了极大的方便。

2.PLC容量选择

PLC容量包括两个方面：

一是I/O的点数；

二是用户存储器的容量（字数）。

PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。

根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。

对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8；

对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。

通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。

计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。

各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。

I/O点数也应留有适当裕量。

由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。

根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。

3.I/O模块的选择

PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。

它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。

通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。

同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。

外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。

PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。

为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。

根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。

（1）确定I/O点数

I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。

对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。

（2）开关量I/O

标准的I/O接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。

典型的交流I/O信号为24～240V（AC），直流I/O信号为5～24V（DC）。

（3）选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：

一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。

一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。

如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。

二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。

一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。

（4）选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：

一是输出方式选择。

输出模块有三种输出方式：

继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。

其中，继电器输出价格便宜，使用