PLC课程设计.docx

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PLC课程设计

中南民族大学

计算机科学学院

课程设计报告

课程PLC课程设计

题目机械手臂搬运加工流程控制设计

年级09级

专业

姓名

学号

指导老师

课题56：

机械手臂搬运加工流程控制设计

一、控制要求

1．如图所示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。

当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。

2．假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。

3．当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成的数次。

二、设计任务主要内容包括：

1.设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；

2.系统有启动、停止功能，设计梯形图控制程序及人机界面设计调试运行；

3.课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。

目录

引言3

1.课题要求3

2.系统总体方案设计3

2.1系统硬件配置及组成原理3

2.2PLCI/O分配表3

2.3PLC外部接线图3

3.控制系统设计3

3.1控制顺序功能图3

3.2控制程序设计思路3

3.3创新设计3

3.3.1正常工作3

3.3.2正常停止3

3.3.3紧急停止3

3.3.4计数器复位3

3.3.5系统复位3

4.人机界面设计3

4.1CX_Designer简介3

4.2画面制作与设计3

5.仿真调试3

6.问题汇总及解决办法3

总结语3

参考文献：

3

附录3

引言

随着工业自动化的发展，在工业生产中，越来越多的自动化设备已经完全取代了传统的人工参与工作的工业生产流程。

传统的人工参与工作，不仅危险性高，而且生产效率低，人为因素的影响可能会使整个生产流程崩溃，因此，传统的工业生产应该被先进的自动化生产所取代。

如今，越来越多的自动化生产设备的应用，使得工业生产中的各种难题都迎刃而解。

例如，机械手臂的应用，解决了人工不能在高温、高腐蚀、高辐射的环境中工作的问题，而且机械手臂的应用，提高了生产工件的精度和寿命等。

因此，如何设计机械手臂的加工工作流程，成为我们今天主要讨论的问题，本文将介绍基于PLC的机械手臂搬运加工的控制设计，该系统具有循环工作、紧急停止、正常停止等工作模式，具有自动上升、下降、夹紧、松开、加工、计数等功能，可以自动的完成对工件的加工流程，以及记录显示加工完成的数目。

机械手臂搬运加工流程控制设计

1.课题要求

根据课题的控制要求，我们可以知道机械臂的工作过程如下：

A处有物件，机械臂向下夹紧1处加工完，机械臂向下夹紧物件

并上升，物件将物件运送到1加工台并上升，将物件运送到2加工台

返回

2处加工完，机械臂下降夹紧物件并送到工作台B

图一机械臂的工作过程

由机械臂的工作过程我们可以简单描述为，当机械臂在A工作台上方（即原点处）且物件在工作台A上，按下启动按钮时，机械臂会向下运动，到达下限后将物件夹紧上升，上升到上限则机械臂向右转移，碰到1处限位开关机械臂向下直到碰到下限开关后松开物件，继而机械臂上升，待机械臂上升到上限时，1处开始加工，1处加工完成后，机械臂将下降→夹紧→上升→到工作台2→下降→松开→上升→2处加工，2处加工完成后，机械臂又下降→夹紧→上升→到工作台B→下降→松开→上升→工作台B将物件运出→机械臂回到原点，执行下一周期的工作。

由机械臂的工作流程可见，机械臂的运动过程以及工作台的加工过程，其实就是PLC输入输出的控制过程，因而我们的课题设计目的就是通过PLC的编程控制，实现工业机械臂自动化加工的目的。

我们可以通过编程控制PLC从而控制整个加工的工作流程，由机械臂的工作过程我们可以得出PLC顺序功能图，如图（见下一页）：

2.系统总体方案设计

2.1系统硬件配置及组成原理

本系统设计是基于欧姆龙CJ1M系列PLC的机械臂加工流程控制设计，整个系统组成框架如图：

由于PLC引脚所能承受的电压范围有限,所以在PLC在与外界大电压相接时，需要转换电路进行保护，由转换电路与外界大电压电流器件相接，实现PLC间接控制且保护PLC的目的。

图二系统结构框图

2.2PLCI/O分配表

在表一中，给定了本次设计的外部引脚分配图，在表格中可以清晰地了解到PLC

表一PLCIO引脚分配图

输入

输出

I/O

注释

I/O

注释

0.00

系统启动

1.00

向下

0.01

下限位

1.01

夹紧

0.02

上限位

1.02

上升

0.03

到1处

1.03

右移

0.04

到A处

1.05

在1处加工

0.05

正常停止

1.06

原点

0.06

紧急停止

1.07

正常停止

0.07

松开

1.08

急停

0.08

到2处

1.09

在2处加工

0.10

1处加工完

1.10

传送带B

0.11

2处加工完

1.11

传送带A

0.12

到B处

0.13

计时器复位

0.14

到达计数点

0.15

物块到A

2.3PLC外部接线图

由表一的IO分配表，我们可以绘制PLC外部接线图如图：

图三PLC外部接线图

3.控制系统设计

3.1控制顺序功能图

由课题控制要求及分析，我们可以得到本系统的顺序功能图如右图：

由顺序功能图设计梯形图，首先设计每一步工序的梯形图，然后再添加每一步工序的执行命令。

我们采用欧姆龙的程序编程软件CX_Programmer进行梯形图的绘制设计，有关CX_Programmer的使用方法可参见实验指导书。

3.2控制程序设计思路

根据顺寻功能图，我们可以方便的编写梯形图，在编写梯形图时需注意的是，每一步成立的条件是前一步为活动步加其他条件，以及该步被断开的条件是该步的下一步或其他。

由图二的顺序功能图，我们可以编写以下梯形图。

步20.00

由顺序功能图可知，当工作台A上有物件（即0.15=1）、机械臂在原点（即上限0.02=1,A限0.04=1）时，按下启动按钮，则启动步20.00，除此之外，当步20.07是活动步时，1处加工完（即0.10=1）或是2步加工完（即0.11=1）也能触发启动20.00，当步20.11是活动步且满足工作台A上有物件（即0.15=1）、机械臂在原点（即上限0.02=1,A限0.04=1）时，步20.00被启动，所以步20.00的梯形图设计如图：

图四步20.00

当步20.00启动后，将要执行的工作机械臂向下运动，同时为了方便仿真调试，步20.00同时复位0.03、0.08、0.02、0.04，即复位到1处、到2处、上限位、到A处的限位开关，在实际应用中可不用。

步20.00要执行的操作设计如图：

图五步20.00操作

步20.01

由顺序功能图可知，当步20.00处于活动步，机械臂下降至下限位开关并触发下限位开关（即0.01=1）时，步20.01启动。

步20.01的梯形图设计如图：

图六步20.01

当步20.01启动后，将执行的操作是夹紧物件（即1.01=1），并定时夹紧时间。

步20.01要执行的操作设计如图：

图七步20.01操作

步20.02

由顺序功能图知，当步20.01为活动步，夹紧定时时间到后（即T0=1），机械臂开始上升。

步20.02的梯形图设计如图：

图八步20.02

步20.02启动后，机械臂开始上升，步20.02要执行的操作设计如图：

图九步20.02操作

步20.03

由顺序功能图知，当步20.02为活动步，机械臂上升到上限并触发上限位开关（即0.02=1）时，步20.03启动，当步20.11启动后，步20.03也将被启动。

步20.03的梯形图设计如图：

图十步20.03

步20.03启动后，机械臂开始向右移动。

步20.03要执行的操作设计如图：

图十一步20.03操作

步20.04

由顺序功能图知，当步20.03为活动步，机械臂到达1处（即0.03=1）、2处（即0.08=1）或B处（即0.12）时，都能触发启动步20.04。

步20.04的梯形图设计如图：

图十二步20.04

步20.04启动后，机械臂向下运动。

步20.04要执行的操作与步20.00执行的操作相同，其设计如图：

图十三步20.04操作

步20.05

由顺序功能图知，当步20.04为活动步，机械臂下降至下限位开关并触发下限位开关（即0.01=1）时，步20.05启动。

步20.05的梯形图设计如图：

图十四步20.05

步20.05启动后，机械臂将物件松开，并由定时器1定时松开时间。

步20.05要执行的操作设计如图：

图十五步20.05操作

步20.06

由顺序功能图知，当步20.05为活动步，T1定时时间到（即T1=1）时，步20.06启动。

步20.06的梯形图设计如图：

图十六步20.06

步20.06启动后，机械臂开始上升。

步20.06要执行的操作与步20.02相同，设计如图：

图十七步20.06操作

步20.07

由顺序功能图知，当步20.06为活动步，机械臂上升到上限并触发上限位开关（即0.02=1）时，步20.07启动。

步20.07的梯形图设计如图：

图十八步20.07

步20.07启动后，由机械臂所处的位置决定系统执行的操作。

如果机械臂在工作台1处，则步20.07执行的操作是工作台1加工，设计如图：

图十九在1处加工

如果机械臂在工作台2处，则步20.07执行的操作是工作台2加工，设计如图：

图二十在2处加工

如果机械臂在工作台B处，则步20.07执行的操作是传送带B运动，设计如图：

图二十一在B处的操作

步20.11

由顺序功能图知，当步20.07为活动步，物件被传送带B传送到计数点时（即0.14=1），步20.11启动。

步20.11的梯形图设计如图：

图二十二步20.11

步20.11启动后，计数器2开始计一次（即对完成的工件进行计数），同时机械臂向原点右移，传送带A将工件传送到工作台A。

步20.11要执行的操作设计如图：

图二十三步20.11的操作

由顺序功能图知，步20.11启动后，机械臂右移，此操作与步20.03相同，所以在设计梯形图时，直接用步20.11触发启动步20.03，设计如图：

图二十四步20.11的操作

3.3创新设计

由于工业现场不可能万事顺利，往往会由于机械或认为因素使得加工过程被迫停止，因此在PLC控制设计中，加入了紧急停止、正常停止、计数复位、系统复位等功能。

3.3.1正常工作

系统正常工作时，由20.09与IL指令共同支持各活动步的进行，当系统运行时默认如图：

……（各活动步程序）……

图二十五启动后系统默认模式

3.3.2正常停止

正常停止是指，当按下正常停止按钮后，机械臂只有回到原点才停止工作，如不在原点则机械臂还能正常按程序运行，正常停止的梯形图设计如图：

图二十六正常停止设计

当20.08=1,0.02=1,0.04=1时，20.09线圈得电，常闭触点断开，则断开正常工作。

按下正常停止按钮时，正常停止指示灯会点亮提示，其设计如图：

图二十七正常停止指示

3.3.3紧急停止

紧急停止是指，当发生突发情况时，按下急停按钮，系统停止工作，紧急停止的梯形图设计如图：

图二十八紧急停止设计

当20.10=1时，20.09线圈得电，常闭触点断开，则断开正常工作。

当按下急停按钮时，急停指示灯会点亮，其设计如图：

图二十九紧急停止指示

3.3.4计数器复位

计数器复位在步20.11中稍有解释，即按下计数器复位按钮0.13后，计数器2复位，即重新计数完成工件的数目。

3.3.5系统复位

系统复位是指，在按下急停和正常停止按钮之后，待故障排除后进行的系统复位，其主要实现的功能就是让机械臂松开及解除停止指示。

复位按钮为0.07，当0.07=1时，步20.08、20.09、20.10被断掉，从而系统进入正常运行模式。

4.人机界面设计

4.1CX_Designer简介

我们采用CX_Designer进行仿真界面的设计，有关CX_Designer的使用方法可参见实验指导书。

CX_Designer可以在线仿真，可在无PLC的条件下进行仿真调试，虽然实时性不是很好，但是比起组态王的设计却较为方便易操作，而组态王人机界面设计仿真时，需要通过串口与PLC进行相连接才能进行，所以相对于没有PLC的情况下，我们选用CX_Designer设计人机界面，经济划算。

4.2画面制作与设计

根据PLC外部接线图及IO分配表，我们将需要的按键添加到界面中，并将指示灯添加到指定位置，方便调试和观测。

最后仿真界面如图：

图三十仿真界面

放置按键时使用绘图面板中的

按钮，放置位指示灯使用绘图面板中的

按钮，要观察计数器的值使用绘图面板中的

按钮。

对限位开关的设置，要设置成交替动作类型，如图：

图三十一限位开关设置

计数器的设置如图：

图三十二定时器监视设置

5.仿真调试

正常模式下，按照课题控制要求进行操作，机械臂能正常的按程序执行，并能正确计数完成加工工件的数目，以下是完成一件工件时的仿真界面：

未找到图形项目表。

图三十三仿真调试界面

完成一个周期后，只要不是按下停止和急停按钮，程序将自动循环进行。

通过多次在线仿真调试，以及老师的检查指导，本次设计满足课题设计控制要求，仿真调试成功。

6.问题汇总及解决办法

问题1：

由于只是在线调试，限位开关得人工操作，不方便且易混淆。

解决办法：

假设步B要执行需要限位开关C接通且步B的前一步步A为活动步，则在C接通后，步B为活动步，步B将C限位开关复位。

问题2：

急停与正常停止的实现方法。

解决办法：

使用IL和ILC指令完成。

详见创新设计部分介绍。

总结语

通过将近一周的设计，终于完成了课程需要，在本次设计过程中，有许多问题都是在摸索中进步得到解决的。

本设计完成了课题的要求，即对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。

当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由计数器计数加工完成的数量。

通过对机械臂加工流程的控制设计，让我进一步认识了工业生产自动化的控制原理，同时也掌握了一些PLC编程技巧。

本设计中还为系统增设了紧急停止和正常停止功能，这样可以让工业控制更具有可控性，也为工业生产排障提供方便，同时也是着眼于工业生产安全而设计的。

随着工业自动化的发展，越来越多的自动化生产设备也越来越多，学好PLC必然能够开阔自己的视野，同时适应社会的需要。

参考文献：

【1】廖常初.PLC编程及应用：

机械工业出版社；2003

【2】汤以范.电气与可编程控制技术：

机械工业出版社；2004

【3】蔡杏山.零起步轻松学欧姆龙PLC技术：

人民邮电出版社；2011

附录