物料搬运机械手设计.docx
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物料搬运机械手设计
课程设计
电气控制系统与PLC课程设计
：
简易物料搬运机械手的PLC控制系统设计
1.设计的目的
1通过课程设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识及基本技能进行分析和解决实际问题的能力。
2使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。
3使学生掌握简易机械手的电器工作原理。
2设计内容
1．目录
2．原理介绍和分析部分
3．根据要求选择系统方案
4．PLC选择及I/O及其它PLC元器件分配
5．程序框图和程序设计
6．心得体会
。
3设计任务和要求
1、根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。
2、根据控制要求，编制简易物料搬运机械手PLC控制程序。
3、编写设计说明书，内容包括：
①设计过程和有关说明。
②基于PLC的简易物料搬运机械手电气控制电路图。
③PLC控制程序（梯形图）。
④PLC选择及I/O及其它PLC元器件分配。
⑤电气设备明细表。
⑥参考资料、参考书及参考手册。
⑦其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。
要求
（1）在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内容进度计划，确定各阶段应完成的工作量，妥善安排时间。
（2）在方案确定过程中应主动提出问题，以取得指导数师的帮助，同时要广泛讨论，依据充分。
在具体设计过程中要多思考，尤其是主要参数，要经过计算论证。
（3）要求电气原理图设计可行，基本能够实现课题要求的功能。
程序流程框图绘制规范。
（4）完成一份课程设计报告,要求将设计内容及设计工作需要注意的事项写成一份设计报告，要求文字通畅、字迹工整，3000---5000字。
（5）应在规定的时间内完成所有的设计任务。
4器材
机械手自动机械装置
5参考资料
1常晓玲主编北京《电气控制系统与可编程控制器》机械工业出版社2004.1
2．钟肇新、彭侃编译可编程控制器原理及应用第二版广州：
华南理大学出版社，2003.5
3.李乃夫主编.可编程控制器原理、应用、实验.北京：
中国轻工业出版社，2003
4.张建民.《机电一体化系统设计》.北京：
高等教育出版社，2001年
5.求是科技编著PLC应用开发技术与工程实践北京人民邮电出版社，2005.1
一、机械手的控制及说明
一、课题内容
机械手能把工件从A点移到B点，机械手的结构示意图如图1所示。
该机构的上升、下降和左移、右移是由双线圈两位电磁闹推动气缸来实现的。
当某一线圈得电，机构便单方向移动，直至线圈断电才停在当前位置。
夹紧和放松是由单线圈两位电磁阂驱动气缸来实现的，线圈通电则夹紧，失电则为放松。
设备上装有上、下限位和左、有限位开关。
机械手工作循环过程示意图如图2所示。
从图中可见，机械手工作循环过程主要有8个动作，即为：
图1机械手结构示意图
二机械手的控制系统要求分析
机械手动作示意图如图1所示。
其全部动作由汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀和继电器控制。
其中，上升／下降和左移／右移分别由双线圈两位继电器控制。
下降继电器线圈通电时，机械手下降；下降继电器线圈断电时，机械手下降停止。
只有上升继电器线圈通电时，机械手才上升；上升继电器线圈断电时，机械手上升停止。
同样，左移／右移分别由左移继电器和右移继电器控制。
机械手的放松／夹紧由一个单线圈（称为夹紧电磁阀）控制。
该线圈通电，机械手夹紧；该线圈断电，机械手放松。
机械手的动作过程如图2所示。
从原点开始按下启动按钮时，下降继电器线圈通电，机械手开始下降。
下降到底时，碰到下限位开关，下降继电器线圈断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升继电器线圈开始通电，机械手上升；上升到顶时，碰到上限位开关，上升继电器线圈断电，上升停止；同时接通右移继电器，机械手右移，右移到位时，碰到右移极限位开关，右移继电器线圈断电，右移停止。
此时，右工作台上无工作，则光电开关接通，下降继电器线圈接通，机械手下降。
下降到底时碰到下限位开关下降继电器线圈断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，放松后，上升继电器线圈通电，机械手上升，上升到极限时碰到极限位开关，上升继电器断电，上升停止；同时接通左移继电器，机械手左移；左移到原点时，碰到左极限开关，左移继电器线圈断电，左移停止。
至此，机械手经过八步动作完成一个循环。
三PLC的共有选型及I/O口接线图
根据控制要求共有20个输入和5个输出，共有25个点数，按照设计要求和需要我们选用了三菱FX系列中的FX2-48MR作为设计主体，其输入与输出接线图及控制面板如图所示：
I/O口分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编码
名称
代号
输出点编码
上限位
SQ1
X0
上升
YV1
Y0
下限位
SQ2
X1
下降
YV2
Y1
左限位
SQ3
X2
右移
YV3
Y2
右限位
SQ4
X3
左移
YV4
Y3
下降点
SB1
X4
夹紧
YV5
Y4
上升点
SB2
X5
左移点
SB3
X6
右移点
SB4
X7
启动
SB5
X8
手动操作
SA1-1
X10
回原点
SA1-2
X11
单步
SA1-3
X12
单周期
SA1-4
X13
自动
SA1-5
X14
回原点启动
SB6
X15
全自动
SB7
X16
停止
SB10
X17
夹紧
SB8
X21
放松
SB9
X22
工作检测
ST5
X20
KM1
外围电路
（2）
----PLC
四初始化程序设计
在主电路中KM1、KM2、KM3、KM4为继电器，YA4是电磁阀。
当PLC中输出Y0时，KV1导通同时接触器KM1导通继电器动作，机械手上升；当KM2通电时继电器动作，机械手下降；当KM3导通时继电器动作，机械手右移；当KM4导通时继电器动作，机械手左移；当KM5通电时电磁阀动作，使机械手夹紧或放松，而图中的FV为短路保护，FR为过载保护。
M8044特殊辅助继电器作为原点位置条件用，当原点位置条件满足时M8044接通。
1．为了使IST指令在每个扫描周期内均执行，用PLC“RUN”时ON和M8000驱动。
2．使用IST指令时五种工作方式加三种必要的按钮，共八种控制信号：
A手动方式B回原点方式C单步方式D单周期方式E自动连续方式F回原点方式G启动按钮H停止按钮
3．使用IST指令后，PLC自动把状态元件S中S0—S2分配给了3大类模式的初始化状态用，且规定S0用于手动，S1用于回原点，S2用于自动/单步/单周期。
S10—S19用于回原点程序模块中的状态。
因此，指令格式中的S20是用户可以分配给自动/单周期/单步的最小状态号。
下图为置初始状态IST指令自动动作的特殊辅助继电器M8040—M8047的动作内容。
M8040是禁止转移用辅助继电器，当M8040=ON时就禁止所有状态转移，手动状态下M8040总是接通的。
在原点、单周期运动时按动停止按钮后一直到再按启动按钮的时间内，M8040一直保持ON状态。
单步执行时M8040常通，但是再按动启动按钮时，M8040=OFF，使状态可以顺序转移一步。
转移开始特殊辅助继电器M8041是初始状态S2向另一状态转移的转移条件辅助继电器。
手动加原点M8041不动作，单步、单周期时，仅在按动启动按钮时动作，自动时按启动按钮后保持为M8041=ON，按停止按钮后M8041=OFF。
启动脉冲辅助继电器M8042是在启动按钮按下时瞬间接通。
特殊辅助继电器M8044是原点条件，M8043是回原点结束，这两个元件应由用户程序控制。
1手动方式程序
手动方式梯形图程序如图所示，S0手动方式的初始状态，手动方式的夹紧、放松及上升、下降是由相应的按钮来控制的。
将选择开关拨到手东方示（X10置1）按启动按钮（X24），S0获得状态，按下降开关X6，下降开始直到碰到下限位开关（X1）下降结束，在按下夹紧开关（X21）夹紧动作开始（Y4置1），按下上升开关（X4）上升动作开始，当动作碰到上限位开关（X0）上升结束；按下右移开关（X7）右移动作开始，直到碰到右限位开关（X3）动作结束；按左移开关（X6）动作左移，直到碰到左限位开关（X2）动作结束，按放松按钮（X22）机械手方松（Y4复位0）。
2回原点方式程序
在我们的自动/单步/单周期运行之前我们通常要让机械手回到原点，才能让他完成自动运行的动作。
回原点方式也属于自动程序的一种，在机械手的自动操作中，由于操作的动作复杂不容易直接设计出梯形图，可以先画出自动操作的流程图，用以表示动作的顺序和转换的条件，然后根据所采用的控制方法设计梯形图比较简单，所以后面的自动程序都采用流程图来完成。
将操作板上的工作方式打到回原点位置（X11,S1置1），此时S1获得信号。
当按下回原点启动开关（X11），S10得到信号，同时下降运行停止，机械手松开，上升运动开始，直到碰到上限位开关（X0）接通S11，此时右移停止，左移运动开始，直到碰到左限位开关（X2）接通S12，此时输出M8043回归完成，信号自动返回给S12，动作结束。
其原理如图所示：
3自动方式控制
在自动程序中包括单周期、单步运行方式。
将控制面上的工作方式拨到自动工作方式（X14），然后按启动按钮（X24），此时M8041导通置1（附：
在使用自动单步运行、单周期运行之前我们都得先回原点使M8044通过置1），此时S2导通到S21，下降动作开始，直到碰到限位开关（X1），停止下降，导通S26，并停留2秒钟，然后导通S27，机械手放松并开始上升，直到碰到上限位开关，上升停止。
S28导通，机械手左移，碰到左限位开关，信号返回给S2，达到循环动作，直到按下停止开关（X17），所有动作停止。
下图为自动方式的梯形图与状态图
自动方式梯形图如下图所示
4单步运行、单周期运行
将控制面板上的工作方式拨到单步工作方式上，每按一次启动按钮机械手就运到一次运动一个步骤。
将开关拨到单周期工作方式上，按动一次启动按钮机械手自动完成一个周期的动作，其工作原理与自动方式一样。
5程序的语句表
手动方式、回原点方式、自动、单步、单周期方式语句表分别为：
（1）初始状态语句表
步序
指令
0
LDX0
1
ANDX2
2
ANIY4
3
OUTM8044
4
LDM8000
5
ISTX10S20S28
（2）手动状态语句表
步序
指令
步序
指令
0
STLS0
12
OUTY1
1
LDX21
13
LDX7
2
RETY4
14
ANIX0
3
LDX22
15
ANIX2
4
RSTY4
16
ANIY2
5
LDX5
17
OUTY3
6
ANIY1
18
LDX7
7
ANIX0
19
ANIX0
8
OUTY0
20
ANIX3
9
LDX4
21
ANIY3
10
ANIY0
22
OUTY2
11
ANIX1
23
（3）自动方式语句表
步序
指令
步序
指令
0
STLS2
20
SETS25
1
LDM8041
21
STLS25
2
ANDM8044
22
LDIX20
3
SETS21
23
OUTY1
4
STLS21
24
LDX1
5
OUTY1
25
SETS26
6
LDX1
26
STLS26
7
SETS22
27
OUTT1K20
8
STLS22
28
LDT1
9
OUTTOK20
29
SETS27
10
LDT0
30
STLS27
11
SETS23
31
SETY4
12
STLS23
32
OUTY0
13
SETY4
33
LDX0
14
OUTY0
34
SETS28
15
LDX0
35
STLS28
16
SETS24
36
OUTY3
17
STLS24
37
LDX3
18
OUTY2
38
OUTS2
19
LDX2
39
RET
（4）回原点方式语句表
步序
指令
步序
指令
0
STLS1
10
RSTY2
1
LDX15
11
OUTY3
2
SETS10
12
LDX2
3
STLS10
13
SETS12
4
RSTY4
14
STLS12
5
RSTY1
15
SETM8043
6
OUTY0
16
RSTS12
7
LDX0
17
OUTS12
8
SETS11
18
RET
9
STLS11
（5）内部单步、单周期自动梯形图的语句表
步序
指令
步序
指令
0
LDX14
15
LDX12
1
ORX24
16
ORB
2
ANDM8041
17
LDX13
3
ANIX17
18
ANDX17
4
ANDX12
19
ORB
5
ORX13
20
LDM8002
6
LDX14
21
ORB
7
ORB
22
LDM8042
8
LDX24
23
ORB
9
ORX15
24
ANIM8042
10
ANIX10
25
ORB
11
SETM8042
26
OUTM8040
12
LDX10
27
LDM8000
13
LDX11
28
OUTM8047
14
ANDX17
四PLC实际应用中的问题
3．1程序调试和模拟运行
我们按照自己的设计思路把PLC应用程序设计完成以后，在实验室里进行调整和模拟运行。
（1）程序检验。
将编好的应用程序输入编程器，经过检验，改正编程语法和数据错误，再逐条搜索与所设计程序对无误后传入CPU模块RAM存储器中。
（2）模拟信号。
用模拟开关模拟输入信号，开关的一端接相对应的输入端点，另一端作为公共端，接在PLC输入信号电源的负端（当要求输入信号公共端为正电源时）。
输入程序后，扳动开关，接通或断开输入信号来模拟机械动作，使检测元件发生变化，并通过输入、输出端点的指示灯来观察输入、输出端点的状态变化。
（3）模拟运行。
按状态转换表进行模拟运行。
首先对照输入信号状态表，设置好原始状态下所有输入信号的状态，再使PLC运行。
按工步状态再一个工作循环里逐步转换，依次发出状态转换主令信号，则系统将依次进行工步状态转换。
每发出一个状态转换主令信号，系统将结束一个工步状态转入下一个工步状态。
仔细观察输出端点指示灯，并与执行元件动作节拍表对照，看各输出端点的状态是否在每个工步状态里都与执行元件节拍表里的要求一致，如果一致则说明PLC应用程序设计正确，符合控制要求。
这样逐步检查，以便都达到规定状态。
五设计小节
本次设计完成了简单的机械手的工作原理及PLC电气部分的设计。
在这段时间的设计中，参考了大量的参考资料，同时我们也作了大量的社会调查，结合实际完成了这套设计。
通过这段时间的设计，我初步掌握了设计的方法和要求，为以后走上工作岗位打下了一定的基础，实现了理论和实践相结合的初步转变。
机械手是一种机械与电气紧密相结合的运输产品。
随着可编程控制器在工业中的广泛应用，也使机械手子效率和人力方面得到了很大的改变。
这次设计使我感最深的是：
作为一个设计人员，当接到这份设计任务之后，应该怎么去查资料，怎样和合伙伙伴同台设计、调试。
本次设计的成功要感谢指导老师给我们的指导和学校给我们提供的试验器材，同时在学校的引导以及老师的指导下，我们更加充分了所学知识的总结和巩固，也提高了对设计的热情。
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