基于PLC的机械手臂控制课程设计.docx

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课程设计说明书

课程名称:

电气控制PLC课程设计

课程代码:

XXXXXXXX

题目:

基于PLC机械手控制系统

学生姓名:

XX

学号:

XXXXXXXXXXXXX

年级/专业/班:

XXXX级电气自动化X班

学院（直属系）:

XXXXXXX学院

指导教师:

XX

学院名称：

XXXXXX专业：

XXX年级：

2013级

机械手控制系统设计

一、选题背景及题目来源

工业实际项目，可在天科TKPLC-A实验装置机械手装置的模拟控制实验区完成本模拟实验。

二、训练目的

（1）通过使用各基本指令，进一步熟悉掌握PLC的编程和程序调试；

（2）学会绘制电气原理图及接线图；

（3）选择电气元器件；

（4）完成系统硬件和软件设计；

（5）完成模拟实验；

（6）编写技术文件。

三、要求实现的功能

启动机械手，将物体从A处移动到B处，机械手将完成原位、下降、抓取、上升、右移、下降、放松、上升、左移、循环或者回到原位动作过程。

在执行动作时由限位开关对机械手位置进行控制，并且由双线圈二位电磁阀推动气缸完成。

提出改进方案：

在机械手夹紧过程进行探究，增加压力传感器用于机械手爪压力并进行反馈控制；增加超声波传感器检测物体是否滑落。

当物体出现滑落或操作错误时发出报警等。

四、实验设备

1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台

2、天科TKPLC-A实验装置

3、机械手模块

五、设计任务

（1）根据控制要求分析控制及动作过程，设计硬件系统；

（2）绘制电气原理图及PLCI/O接线图；

（3）设计软件系统；

（4）组成控制系统；

（5）进行系统调试，实现（三）所要求的控制功能，完成模拟实验。

（6）撰写课程设计说明书。

六、参考资料

1、天科TKPLC-A实验装置实验手册

2、《S7-200可编程序控制器手册》，西门子技术服务中心，四川省机械研究设计院，2000.9

3、《现代电器控制及PLC应用技术》第2版，王永华，北京航空航天大学出版社

指导教师：

XX签名日期：

2015年06月1日

课程设计说明书

摘要

可编程控制器是一种以微处理器为核心的工业控制装置。

它采用了可编程序的存储器，可以再其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时器、计数器和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的设备或生产过程。

可编程控制器结构简单、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，应用范围广。

本课题设计了机械手控制系统。

主要应用于机床加工工件的装卸，装配印制板电路板，组装零部件；劳动条件较差，危险等场合。

采用西门子公司S7-200系列，CPU224型PLC进行实验，运用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程，并通过TKPLC-A型可编程控制器实验箱机械手装置模拟控制实验区完成本模拟实验。

主要功能是循环地将物件从A地运往B地。

为了使动作操作更加准确，加入压力传感器、超声波传感器，进行检测改进。

该装置涵盖了可编程控制技术、位置控制技术、检测技术等。

由PLC接收来自外部的输入信号（包括开关机、限位指令、传感器信号指令等），并控制双线圈二位电磁阀来控制机械手的夹紧和松开。

在设计过程中，包括流程图、原理图、主电路图。

关键词：

PLC、机械手、传感器、检测技术

目录

引言 1

第1章机械手控制系统方案设计 2

1.1方案设计原则 2

1.2系统的整体设计要求 2

1.3控制系统的设计 3

1.3.1继电器控制系统 3

1.3.2单片机控制 3

1.3.3工业控制计算机控制 3

1.3.4可编程序控制器控制 4

第2章机械手控制系统的硬件设计 5

2.1硬件选型 5

2.1.1PLC机型选择 5

2.1.2PLC容量选择 6

2.1.3I/O模块的选择 6

2.1.4电源模块的选择 7

2.2机械手的基本构造及PLCI/O点分配 8

2.2.1系统组成 8

2.2.2执行机构 9

2.2.3、机械手PLC的模拟实验面板 11

2.2.4机械手PLC的I/O分配 12

2.3主电路的设计 13

2.3.1机械结构和控制要求 13

2.3.2主电路图的设计 13

第3章机械手控制系统的软件设计 14

3.1程序设计的一般方法 14

3.1.1经验设计法 15

3.1.2逻辑设计法 15

3.1.3顺序设计法 15

3.2PLC控制的相关流程图 16

3.2.1控制流程图 16

3.3可编程控制器梯形图 17

3.3.1可编程控制器梯形图简介 17

3.3.2相关程序段 17

3.3.3改进方案设计 20

第4章系统调试 24

结论 29

设计总结 30

谢辞 31

参考文献 32

附件1 33

附件2 34

引言

为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。

在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。

但是由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以至现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。

另外，生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。

所以为了帮助相关行业，特别是中小型企业实现物件搬运的自动控制，机械手的自动控制势必是摆在我们眼前的一大课题，借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而机械手的控制更常见于工业生产中，几乎大部分的工厂都离不开机械手，其应用领域广。

计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。

1968年，美国最大的汽车制造厂商通用汽车（GM）公司提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用继电器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。

这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。

该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），简称PLC（有的称为PC）,并在GM公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。

PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外技术人员和工商业界厂商的极大关注，生产PLC的厂商云起。

随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。

采用基于PLC的控制系统来取代园林单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性，对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔是市场前景。

用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要它，例如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、机械手系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。

本次设计是将PLC用于机械手的设计的控制，对学习与实用是很好的结合。

第1章机械手控制系统方案设计

1.1方案设计原则

整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务，设计的编号按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:

（1）最大限度地满足被控对象的控制要求；

（2）保证PLC控制系统安全可靠；（3）力求简单、经济、使用及维修方便；（4）适应发展的需要

对于本课题来说，机械手抓动作过程和抓取物件的控制与升级，控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。

对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。

要实现整个机械手控制系统的设计，需要从怎样实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

1.2系统的整体设计要求

在该机械手控制系统中，需要完成抓取、移动、放松、回到原位等功能，控制要求如下：

机械手动作流程图

1、下降抓取物体过程：

按下启动开关，机械手下降，当下降到位时，闭合下限位开关SQ1，机械手停止下降，机械手抓紧物体，并持续夹紧动作。

2、上升移动过程：

机械手夹紧物体，上升到位时，闭合上限位开关SQ2，机械手停止上升，并保持夹紧动作。

3、右移过程：

持续夹紧物体，向右移动，当右移到位时，闭合右限位开关SQ3，机械手停止右移。

4、下降放松过程：

机械手持续夹紧物体，下降到位时闭合下限位开关，机械手停止下降。

此时，放松放下物体。

5、回到原位过程：

放下物体后，机械手回升，当回升到位时，闭合上限位开关，机械手停止回升，并向左移动，当左移到位时，闭合左限位开关，机械手停止左移。

6、循环过程：

在不出意外，正常运行的情况下，循环以上过程。

1.3控制系统的设计

就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：

继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程控制器控制。

本系统的设计我们采用可编程控制器控制。

1.3.1继电器控制系统

控制功能是用硬件继电器实现的。

继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。

系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。

1.3.2单片机控制

单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。

其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。

但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。

要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。

1.3.3工业控制计算机控制

工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。

但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。

且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。

1.3.4可编程序控制器控制

可编程控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线