机械臂plc.docx
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机械臂plc
沈阳城市学院
《数控机床电气控制与PLC技术》
课程设计
说明书
学院：
机械电子工程学院
班级：
11级4班
姓名：
学号：
指导教师：
2013年12月10日
课程设计任务书
学院
机电学院
班级
11机自一四班
姓名
设计起止日期
2013年12月16日-2013年12月27日
题目：
设计任务：
下图为一个将工件由A处被机械手抓取并放到B处机械手，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。
1.机械手回到初始状态，SQ4=SQ2=1，SQ3=SQ1=0，原位指示灯HL点亮，按下“SB1”启动开关，下降指示灯YV1点亮，机械手下降，（SQ2=0）下降到A处后（SQ1=1）夹紧工件，夹紧指示灯YV2点亮。
2.夹紧工件后，机械手上升（SQ1=0），上升指示灯YV3点亮，上升到位后（SQ2=1）,机械手右移（SQ4=0）,右移指示灯YV4点亮。
3.机械手右移到位后（SQ3=1）下降指示灯YV1点亮，机械手下降。
4.机械手下降到位后（SQ1=1）夹紧指示灯YV2熄灭，机械手放松。
5.机械手放松后上升，上升指示灯YV3点亮。
6.机械手上升到位（SQ2=1）后左移，左移指示灯YV5点亮。
7.机械手回到原点后再次运行。
要求完成以下工作：
1.课题相关任务及PLC的描述；
2.PLC的型号选择
3.完成主电路设计以及相应电器元件的选择
4.设计PLC的I/O接线图
5.完成梯形图的设计
6.编写、整理设计说明书。
指导教师评分：
工程
分值
出勤情况
10
一次缺席扣2分，两次缺席扣4分，三次缺席扣10分，出勤情况连带影响学习态度和质疑答辩成绩。
学习态度
10
学习态度认真，遵守纪律
质
疑
答
辩
第一次
10
PLC硬件选型
第二次
10
主电路（5分）和I/O接线图（5分）设计
第三次
10
梯形图设计
答辩
30
1、程序仿真：
正确打开仿真软件（5分），成功导入程序（5分），正确操作并仿真（10分）
2、回答问题：
老师根据设计内容提问2-3个问题，答对一个5分
说明书质量
20
内容完整（5分），结构设计合理（5分），撰写规范工整（5分），排版准确（5分）
总分
教师签字：
年月日
1机械手的简介
1.1概述
机械手首先是由美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。
机械手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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
1.2机械手的组成
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、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。
自由度是机械手设计的关键参数。
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。
一般专用机械手有2～3个自由度。
2可编程控制器的选型
2.1I/O总点数的确定
由I/O分配表知，输入共18个点,输出共6个点,I/O实际需24点。
为留有今后工艺改进与功能扩充余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20％余量，再考虑PLC产品本身规格，可取PLC的I/O总点数为48点。
2.2PLC选型
根据被控对象要求将与PLC相连的全部输入、输出器件根据所需的电压、电流的大小、种类分别列表统计，考虑将来发展的需要再相应增加10%-15%的余量，估算PLC所需I/O总点数，I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的依据。
根据输入、输出设备的类型和数量，确定了PLC的I/O点数，然后选择相应点数的PLC机型。
世界上PLC产品可按地域分成三大流派：
一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。
美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。
而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。
美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。
本论文首先应明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，再通过PLC的类型、输入输出模块的选择、电源的选择、存储器的选择、冗余功能的选择和高性能价格比，再根据本课题I/O的点数，输入为14和输出为6个，考虑到将来发展的需要选I/O端子数多的PLC,故选择德国西门子公司的S7-200CPU214其输入/输出信号详见附录1。
S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
极高的可靠性
极丰富的指令集
易于掌握
便捷的操作
丰富的内置集成功能
实时特性
强劲的通讯能力
丰富的扩展模块
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
2.2I/O点信号性质分析
从机械手控制信号分析可知,机械手输入是位置开关信号,上/下限位开关、左/右限位开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断。
2.3用户存储器容量的估算
（1）I/O口总点数为48点且均为开关量，以每个I/O点需1O个字节估算则所需存储器字节数为：
48*10=480B
（2）定时器有两个:
一个夹紧延时、一个放松延时，以每个定时器需2个字节估算则所需存储器字节数为：
定时器/计数器数量*2=2*2=4B
共需存储器字节数为：
480+4=484B
介于I/O输入接口为16个及技术和成本方面因素综合考虑，本设计选取日本三菱公司FX2N-48MR型PLC产品。
FX2N-48MR型产品主要技术指标如下：
3气动机械手常用的气动元件
3.1标准双作用直线气缸
气动机械手的夹紧气缸和推料气缸都是标准双作用直线气缸。
标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。
双作用气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。
图3.2是标准双作用直线气缸的半剖面图。
图3.2中气缸的两个端盖上都设有进排气通口，从无杆侧端盖气口进气时，推动活塞向前运动；反之，从杆侧端盖气口进气时，推动活塞向后运动。
双作用气缸具有结构简单，输出力稳定，行程可根据需要选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力要小于伸出时产生的推力。
3.2输入和输出点分配表及原理接线图
序号
PLC地址（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
1
I0.0
SB1
启动开关
2
I0.1
SQ2
上限位开关
3
I0.2
SQ1
下限位开关
4
I0.3
SQ4
左限位开关
5
I0.4
SQ3
右限位开关
6
I0.5
SB2
停止开关
7
Q0.1
YV1
下降指示灯
8
Q0.5
YV2
夹紧指示灯
9
Q0.2
YV3
上升指示灯
10
Q0.3
YV4
右移指示灯
11
Q0.4
YV5
左移指示灯
12
Q0.6
HL
原位指示灯
13
主机1M、面板V+接电源+24V
电源正端
14
主机1L、2L、3L、面板COM
接电源GND
电源地端
3.4输入输出接线图
4运行梯形图
5仿真运行图
右行
右上行
右下行
左行
左上行
左下行
6参考文献
[1]张建民主编.工业机器人[M]，北京理工大学出版社，1992
[2]李静主编.机电一体化技术基础与产品设计[M]，机械工业出版社，1996
[3]杨长能主编.可编程控制器基础及应用[M]，重庆大学出版社，1999
[4]陆鑫盛主编.气动自动化系统的优化设计[M]，上海科学技术文献出版社，2000
[5]袁任光主编.可编程控制器应用技术与实例[M]，华南里工大学出版社,1997
[6]张万忠主编.电器与PLC控制技术[M]，化学工业出版社,2000.
[7]张桂香主编.电气控制与PLC应用[M]，化学工业出版社,2003
[8]王永华主编.现代电气及可编程控制技术[M]，北京航空航天大学出版社,2003
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