机械手自动搬运线PLC控制系统课程设计.docx

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机械手自动搬运线PLC控制系统课程设计

电气控制与PLC课程设计报告

题目：

机械手自动搬运线PLC控制系统

姓名：

学号：

专业班级：

机械电子工程

指导教师：

摘要

本课程设计以机械手为设计对象，根据设计要求，详细分析了机械手的工作原理和控制需求，选择采用西门子S7-300系列PLC进行了控制系统设计。

首先，根据机械手自动搬运系统的运行机制，针对机械手自动搬运的工作要求，对系统工作过程进行了描述，完成了机械手自动搬运加工控制系统的方案设计。

其次，根据控制任务，进行了PLC控制电路设计，对PLC的I\O地址进行了分配，并对PLC控制程序进行了功能划分，实现了工作流程模块化设计。

然后，根据机械手自动搬运加工工作原理，设计其系统的PLC控制流程图，并以STEP7为PLC软件设计平台，完成机械手自动搬运系统的自动控制、点动控制、停止运行等功能的PLC梯形图的设计，实现了机械手搬运过程的自动控制。

最后，通过采用STEP7平台中的S7-PLCSIM仿真功能，对自动控制、点动控制、停止运行等工作过程进行PLC梯形图的仿真验证，结果表明完成了主要功能设计，达到了机械手自动搬运的设计要求，实现了机械手自动搬运加工的功能。

在设计过程中，小组共同讨论、确定总体方案，本人主要负责梯形图程序部分，进行了梯形图的设计及仿真调试，完成本课程设计。

关键词：

机械手PLC梯形图仿真

1、引言

随着机械化工业的快速发展，机械手的应用已经成为一种工业化趋势，同时，社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快,人们对生产效率也不断提出新要求。

由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善,使机械手技术快速发展,其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点,已渗透到工业领域的各部门,在工业发展中占有重要地位。

我国科学家对机器人的定义是:

“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器。

”机器人技术是建立在机械,微电子、控制、人工智能技术等基础上的一门机电一体化的高新技术。

机器人诞生于二十世纪50年代,目前已经发展到第三代智能机器人。

纵观机器人发展的历史和高新技术的发展趋势,机器人已经成为现代化工业发展中不可缺少的必备工具。

因此各工业发达国家非常重视机器人技术,一个世界范围的机器人研制热潮正方兴未艾。

机械手是机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

它能模仿人的手和臂的某些动作功能,用以按照固定程序抓取、搬运物件或者操作工具的自动操作装置。

在现代化生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械手的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新的技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能够更好地实现以机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样子灵活,但它能不断重复工作和劳动,不知疲劳、不怕危险、抓取重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手也受到了许多部门的重视,并越来越广泛地得到应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气自动控制技术、传感器技术和许多计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。

在本课程设计中，机械手要完成自动搬运加工的过程，通过PLC的设计控制系统，使机械手能够自动完成一系列动作，能够在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更便捷、快速。

在“机械手自动搬运线PLC控制系统”课程设计过程中，经过小组共同讨论、确定总体方案，本人主要负责梯形图程序部分，进行了梯形图的设计及仿真调试。

2、总体设计方案

2.1、机械手自动搬运系统组成

2.1.1机械手自动搬运系统的工作原理

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。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度，自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。

同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。

2.2、机械手自动搬运示意图

图1.1机械手自动搬运加工示意图

2.3、机械手自动搬运系统工作过程

（1）启动控制：

按下启动按钮后,系统自动运行。

机械手先启动、上升到位（SQ4检测）,并停止,等待工件到位。

（2）自动搬运加工过程控制：

启动传送带A运行和传送带B传送带A拖动产品移至指定位置,由SQ0检测到位并计数，停止传送带A。

机械手左转到位（SQ1检测）、下降到位（SQ5检测）,夹取工件（由开关JQ执行）上升并右转到工作台处（右转到位SQ2检测）,下降、松开JQ开关放下工件,上升等待20秒再下降到位、夹取工件上升并右转到传送带B（右转到位SQ3检测）下降松开JQ并放下工件,传送带B移走工件,机械手上升、左转返回至传送带A处,继续搬运加工,如此循环进行。

传送带A、B运行期间运行指示绿灯PG0、PG1闪动,停止运行灯灭。

（3）点动控制：

设置机械手上升、下降、左转、右转点动控制按钮。

（4）停止控制：

按下停止按钮,传送带A和传送带B同时停止,机械手上升到位并返回传送带A处停止。

2.4、控制方案设计

针对机械手自动运转搬运的设计任务，本次设计我们采用的CPU是CPU313C,加了一个DI16/DO16x24V/0.5A模块，将任务划分为自动控制、点动控制、停止运行三个部分，用了两个功能FC1、FC2，设计机械手自动搬运、加工的功能，经过仿真软件的调试，完成机械手能够点动控制和自动搬运加工控制的功能。

具体的参数与地址分配表如下：

表2.1机械手自动搬运系统地址分配表

编程元件

符号

地址

注释

数字量输入

16×24VDC

Start

I0.0

启动按钮

stop

I0.1

停止按钮

Inching

I0.2

点动按钮

SQ0

I0.3

检测产品到位并计数

SQ1

I0.4

检测左转到位（到达A）

SQ2

I0.5

检测右转到位（到达工作台）

SQ3

I0.6

检测右转到位（到达B）

SQ4

I0.7

检测上升到位

SQ5

I1.0

检测下降到位

SB1

I1.2

上升

SB2

I1.3

下降

SB3

I1.4

左转

SB4

I1.5

右转

Start-C

I1.6

启动传送带AB

FR

I1.7

热继电器（过载保护）

数字量输出

16×24VDC

数字量输出

16×24VDC

PG0

Q0.0

传送带A指示灯

PG1

Q0.1

传送带B指示灯

PG2

Q0.2

报警指示灯

JQ

Q0.3

开关JQ执行

M11

Q1.0

机械手转动电机（右）

M12

Q1.1

机械手转动电机（左）

M21

Q1.2

上下运行电机（上）

M22

Q1.3

上下运行电机（下）

MA

Q1.4

传送带A电机

MB

Q1.5

传送带B电机

FC1

FC1

手动控制

FC2

FC2

自动控制

3、机械手自动搬运线PLC控制电路设计

为了满足机械手正常运转的功能要求，我们设计下面的主电路图和外部接线图。

3.1、主电路图

图3.1主电路

3.2、PLC外部接线图

图3.2PLC外部接线图

4、机械手自动搬运线PLC梯形图软件设计

根据机械手自动搬运加工的工作过程，以下为我们设计的PLC系统工作流程图和PLC程序。

4.1、PLC系统工作流程图

图4.1流程图

4.2、OB1程序

初始启动控制程序；

启动按钮和停止按钮程序，用两个FC功能，实现自动控制和点动控制的切换；

系统自动运行。

机械手先启动，上升到位并停止，等待工件到位；

机械手向上运行电机启动；

机械手向左运动启动，当检测到上升位时才能执行；

机械手向下运行电机启动；

机械手向右运动启动，当检测到上升位时才能执行；

传送带A、B指示灯启动；

报警触发程序，当上下两个限位开关同时检测到时，开始报警；

当传送带A长时间一直工作触发报警信号；

报警电路启动程序；

夹取工件程序，启动开关JQ执行；

4.3、FC1功能程序：

点动控制FC1功能内的程序，控制四个动作，实现机械手上升、下降、左转、右转点动控制，常闭触点为互锁；

4.4、FC2程序

自动控制FC2功能内的程序，实现循环搬运工作；

启动传送带A、B和指示灯A、B；指示灯的闪烁用时钟存储器位M1.5来实现，MB用来自锁，当SQ0检测到位时，停止传送带A以及指示灯A；

当A拖动工件移至指定位置时,由SQ0检测到位并计数，停止传送带A，机械手开始左转，当SQ1检测到位，机械手停止左转并开始向下运动，当SQ5检测到位，向下停止运行；

机械手下降到位后，自动夹取工件，开始上升，当SQ4检测到位时停止向上运行；

机械手夹着工件向右转动达到工作台（右转到位SQ2检测），并下降到位，断开开关JQ，将工件放在工作台；

将工件放在工作台上，上升等待20秒再下降到位；

下降到位，机械手自动夹取工件；

夹取工件上升到位，开始右转到传送带B（右转到位SQ3检测），M0.3启自锁作用；

右转到传送带B，机械手开始下降，下降到位后自动断开JQ放下工件,传送带B移走工件,机械手上升到位，当传送带A处又检测到工件，机械手将继续搬运加工,如此循环进行。

5、机械手自动搬运线PLC控制系统仿真测试

打开S7-PLCSIM时，会弹出如图5.1所示的界面。

单击“STOP”、“RUN”或“RUN-P”，可以令PLC处于相应的运行模式。

下载程序之前，应先打开PLCSIM仿真器，选中所要仿真的块对象，单击下载按钮，可将数据下载到仿真PLC中。

单击“RUN”，选中相应的开关量模拟框，以模拟开关量，另外也可以通过仿真器看到仿真结果。

1）启动开关，传送带开关按下，传送带A、B工作。

图5.1S7-PLCSIM仿真界面

2）当有传送带A有产品时，传送带A停止，机械手向左运动。

图5.2S7-PLCSIM仿真界面

6、设计小结

6.1、设计总结

针对机械手自动搬运线任务，采用西门子300PLC，设计出了梯形图程序，经过仿真调试，完成了机械手自动控制、点动控制等功能。

通过本次课程设计，我们才明白理论和实践相结合的重要性，不仅巩固了我们的理论知识，还让我们学会把理论知识运用到实践中去，在理论和实践的结合下，完成机械手的手动和自动控制系统，提高了我们的实际动手能力，独立思考能力和团队合作能力。

后两者并不矛盾，在合作的同时，要学会有自己的观点，或许这样会使得任务更精确，简单，更适合大众的需求。

要完成一个工作，你必须同时具各理论和实践能力，并且要学会查找资料，要学会如何在海量的资料中寻找到你所需要的东西。

在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，提出意见，同时我们还向别的同学请教,在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见，添加了电气互锁与自锁，使我们的设计更接近实际，经过多次的修改，成功的完成了本次设计。

6.2、系统调试中的问题及解决的措施

在程序仿真过程中出现了自锁互锁不起作用的现象，经过调试检查发现，PLC的工作过程分时扫描，有一定的扫描周期，程序加多时很容易出现重复错误。

解决措施是分了两个功能来执行不同的模式。

参考文献

[1]刘艳梅.S7-300可编程控制器（PLC）教程[M].北京:

人民邮电出版社,2008.

[2]向晓汉.西门子PLC高级应用实例精解[M].北京:

机械工业出版社,2015.

[3]董海棠.电气控制及PLC应用技术[M].北京:

人民邮电出版社，2014,11.

[4]王永华.现代电气控制技术及PLC应用技术[M].第2版.北京:

北京航空航天大学出版社,2013.

[5]廖常初.PLC基础及应用[M].第2版.北京:

机械工业出版社,2014.