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PLC机械手控制

PLC机械手控制

PLC系统实训设计报告

（2014—2015学年第二学期）

系别信息与控制工程

题目PLC机械手控制

专业电气工程及其自动化

班级

学号

姓名

指导教师

完成时间2015年7月8日

评定成绩

引言PLC概况

1可编程序控制器的应用和发展概况

可编程序控制器（programmablecontroller），现在一般简称为PLC（programmablelogiccontroller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。

以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。

在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。

传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。

但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。

2PLC的应用概况

PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。

按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。

1）.用于逻辑控制

这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。

用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。

例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。

2）.用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。

3）.用于机械加工中的数字控制

现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。

4）.用于工业机器人控制

5）.用于多层分布式控制系统

高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。

从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。

3PLC的特点

1）.可靠性高、抗干扰能力强

PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。

2）.控制系统构成简单、通用性强

由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。

3）.编程简单、使用、维护方便

4）.组合方便、功能强、应用范围广

PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。

因此，PLC应用范围很广。

5）.体积小、重量轻、功耗低

PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。

第一章机械手概况

1.1搬运机械手的应用简况

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。

专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。

据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。

从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。

国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：

1.热加工方面的应用

热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。

为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。

2.冷加工方面的应用

冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。

进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。

最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。

3.拆修装方面

拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。

目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。

近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。

近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

1.2机械手的应用意义

在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：

1.可以提高生产过程的自动化程度

2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。

3.可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

1.3机械手的发展概况

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。

由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。

智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。

目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。

早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。

50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。

这种机械手也称第二代机械手。

如尤尼曼特（Unimate）机械手即属于这种类型。

60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。

80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。

90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。

90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

总之，目前机械手的主要经历分为三代：

第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。

1.4机械手的发展趋势

目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。

既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。

同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。

此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。

目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。

工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。

工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。

总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。

到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。

现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

第二章设计内容及要求

2.1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，硬件设计，软件设计。

4设计评测。

2.2控制要求

本实验是将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用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，仍然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，线圈断电时执行放松动作。

设备装有上、下限位和左、右限位开关，限位开关用钮子开关来模拟，所以在实验中应为点动。

电磁阀和原位指示灯用发光二极管来模拟。

本实验的起始状态为原位（即SQ2和SQ4应为ON，启动后马上打到OFF），它的工作过程如图2.1所示，有八个动作，即为：

图2.1动作顺序图

2.3机械手动作的模拟

图2.2机械手动作模拟

2.4控制过程要求

按起动后，传送带A运行直到按一下光电开关才停止，同时机械手下降。

下降到位后机械手夹紧物体，2s后开始上升，而机械手保持夹紧。

上升到位左转，左转到位下降，下降到位机械手松开，2s后机械手上升。

上升到位后，传送带B开始运行，同时机械手右转，右转到位，传送带B停止，此时传送带A运行直到按一下光电开关才完成一次循环.

第三章硬件设计

3.1电动机

三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。

笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。

三相异步电动机根据工作要求不同，主要进行降压启动、正反转、自动循环、制动、变速等不同控制，该设计要求把对电动机的上述控制采用PLC控制来实现，使系统的性能更完善。

此次选择的电动机为三相异步电动机型号YB160L-2，功率18.5KW，额定电压380V，额定电流35.5A，转速2930r/min，△接法。

3.2PLC选型

PLC产品的种类繁多。

PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。

因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。

选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素.此次选择西门子公司的S7-200系列PLC（CPU226）。

第四章软件设计

4.1工作过程分析

在整体结果中使用跳转指令，手动指令I1.0打开时，执行手动程序；在单周期指令I0.5打开时，执行周期程序；在连续指令I0.6打开时，执行连续指令。

则程序整体结构见附录1：

1）单周期工作过程分析

当机械手处于原位时，上升限位开关I0.2、左限位开关I0.4均处于接通（“1”状态），移位寄存器数据输入端接通，使M1.0置“1”，HL线圈接通，原位指示灯亮。

输入SB5SB6SB7SB8动作手动操作手动操作左右手动操作夹松手动操作上下接线I1.0、I1.1、I1.2、I1.3。

按下启动按钮，I0.0置“1”，产生移位信号，M0.1的“1”态移至M1.1，下降阀输出继电器Q0.2接通，执行下降动作，由于上升限位开关I0.2断开，M1.0置“0”，原位指示灯灭。

当下降到位时，下限位开关I0.1接通，产生移位信号，M1.0的“0”态移位到M1.1，下降阀Q0.2断开，机械手停止下降，M1.1的“1”态移到M1.2，M1.2线圈接通，M1.2动合触点闭合，夹紧电磁阀Q0.1接通，执行夹紧动作，，M2.1接通，同时启动定时器T37，延时1.7秒。

机械手夹紧工件后，T37动合触点接通，产生移位信号，使M1.3置“1”，上升电磁阀Q0.3接通，I0.1断开，M2.2断开，切断定时器T37，执行上升动作。

由于使用S指令，M1.2线圈具有自保持功能，Q0.1保持接通，机械手继续夹紧工件。

当上升到位时，上限位开关I0.2接通，产生移位信号，“0”态移位至M1.3，Q0.3线圈断开，不再上升，同时移位信号使M1.4置“1”，I0.4断开，右移阀继电器Q0.4接通，执行右移动作。

待移至右限位开关动作位置，I0.3动合触点接通，产生移位信号，使M1.3的“0”态移位到M1.4，Q0.4线圈断开，停止右移，同时M1.4的“1”态已移到M1.5，Q0.2线圈再次接通，执行下降动。

当下降到使I0.1动合触点接通位置，产生移位信号，“0”态移至M1.5，“1”态移至M1.6，Q0.2线圈断开，停止下降，R指令使M1.2复位，Q0.1线圈断开，机械手松开工件；M2.2接通，同时T1启动延时1.5秒，T38动合触点接通，产生移位信号，使M1.6变为“0”态，M1.7为“1”态，Q0.3线圈再度接通，I0.1断开，同时，M2.2断开，切断定时器T38，机械手又上升，行至上限位置，I0.2触点接通，M1.7变为“0”态，M2.0为“1”态，Q0.3线圈断开，停止上升，I0.4线圈接通，Q0.5接通，I0.2断开，左移。

到达左限位开关位置，I0.4触点接通，M2.0变为“0”态，M1.0为“1”态，移位寄存器全部复位，机械手回到原位，完成一个工作周期。

接通I0.7，则M1.0，M1.1，M1.2，M1.3，M1.4，M1.5，M1.6，M1.7，M2.0被置为“0状态”。

再次按下启动按钮，将重复上述动作。

此为单周期操作。

2）连续工作

连续工作操作，只需在单周期返回程序改为：

到达左限位开关位置，I0.4触点接通，M2.0变为“0”态，M1.1为“1”态，移位寄存器全部复位，机械手下降。

自动程序控制图见附录二。

3）手动操作

左右运行时，接通手动左右移位开关T1.1，断开其他运行方向的开关，按下启动按钮机械手右行，按下停止按钮机械手左行。

夹紧与松开时，接通手动夹送移位开关T1.2,断开其他运行方向的开关，按下启动按钮机械手夹紧，按下停止按钮机械手松开。

上下运行时，接通手动上下移位开关T1.3断开其他运行方向的开关，按下启动按钮机械手上升，按下停止按钮机械手下降。

手动操作程序图件附录三。

4.2PLC外部输入输出接线图

图5PLC外部接线输出图

4.3I/O分配

输入点：

输出点：

启动按钮SB1I0.0原始位开关HLQ0.5

停止按钮SB2I0.5抓球电磁铁YV2Q0.1

下限为开关SQ1I0.1下行接触器YV1Q0.0

上限位开关SQ2I0.2上行接触器YV3Q0.2

右限位开关SQ3I0.3右行接触器YV4Q0.3

左限位开关SQ4I0.4左行接触器YV5Q0.4

第五章设计体会

此次设计是在杨静老师的悉心指导下完成的。

老师为课题的研究提出了许多指导性的意见，为课程设计的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。

杨静老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。

生活中杨静老师就是我的朋友，她的态度让我对生活有了新的认识。

在本文结束之际，特向我敬爱的导师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！

通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。

是实际的，是我们所设计的实物，具有设计合理，经济实用的优点。

这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫的大意。

对设计方案的优越化，也需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际。

再次像教育指导我的老师及同学表示诚挚的感谢！

鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂的设计，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各位老师给予批评和指正。

参考文献

【1】倪远平.现代低压电器及其控制技术.重庆：

重庆大学出版，2003

【2】胡学林.可编程控制器教程.基础篇.北京：

电子工业出版社，2003

【3】邓萍.现代电气控制技术第二版.重庆：

重庆大学出版社，2012

【4】孙平.可编程控制器原理及应用[M].北京高等教育出版社，2002.

【5】陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京：

电子工业出版社，2006.

【6】廖常初.PLC梯形图程序的设计方法与技巧[M].重庆:

重庆大学出版社,2001.

附录

附录一程序整体结构

附录一

附录二自动程序系统顺序功能图

附录二

附录三手动程序图

附录三