基于PLC的机械手自动控制的设计解读.docx

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基于PLC的机械手自动控制的设计解读

物理与电子工程学院

《PLC原理与应用》

课程设计报告书

设计题目：

基于PLC的机械手自动控制的设计

专业：

自动化

班级：

XXX

学生姓名:

XX

学号:

XXXX

指导教师：

XXXX

2013年12月20日

物理与电子工程学院课程设计任务书

专业：

自动化班级：

3班

学生姓名

XX

学号

XX

课程名称

PLC原理与应用

设计题目

基于PLC的机械手自动控制的设计

设计目的、主要内容（参数、方法）及要求

设计目的：

1、掌握PLC功能指令的用法

2、掌握PLC控制系统的设计流程

设计主要内容及要求：

设计一个利用机械手将物品从左侧自动搬移到右侧的控制程序。

机械手原始位置在左上方，且为放松状态，启动后机械手顺序动作如下：

机械手下降→加紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移最终回到原始位置

2、画出实现程序流程图。

3、列出输入、输出端口。

4、写出梯形图程序。

5、调试程序，直至符合设计要求。

工作量

2周时间，每天3学时，共计42学时

进度安排

第1天：

明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料

第2-3天：

学习课程设计中用到的PLC相关知识

第4-5天：

根据课程设计的要求画出程序流程图

第6天：

列出I/O分配表

第7-8天：

写出梯形图程序，并对程序进行注释

第9-10天：

学习西门子S7-200的编程软件STEP7MicroWINSP6，并在该软件中编写梯形图程序

第11天：

学习西门子S7-200仿真软件，并进行程序仿真和调试。

第12天：

将课程设计中用到的程序在PLC试验箱上进行运行和调试。

第13-14天：

撰写课程设计报告。

主要参考资料

[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京:

机械工业出版社,2013.8

[2]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012.3

[3]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].机械工业出版社,2006.1

指导教师签字

教研室主任签字

摘要

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理

论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中

的一个重要组成部分。

工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、

提高产品质量和生产效率的有效手段之一。

尤其在高温、高压、粉尘、噪声

以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。

在我国，近几年来也有较

快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

本文介绍的物料搬运机械手可在空间抓放物体，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。

关键词：

PLC；机械手控制；程序设计

1课题介绍

1.1课题设计内容

机械手设有调整、连续、单周及步进四种工作方式，工作时要首先选择工作方式，然后操作对应按钮。

其工作示意图如图1-1-1所示。

图1-1-1机械手工作循环示意图

机械手的工作方式及过程如下：

1.调整工作方式：

可按相应按钮实现左移、右移、上移、下移、加紧、放松各个动作的单独调整。

2.连续工作方式：

按下起动按钮，机械手按下降→加紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移的顺序周而复始的连续工作；按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工作，回到原位后停止。

按下急停按钮，系统立即停车。

3.单周工作方式：

按下起动按钮后，机械手按下降→加紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移的顺序自动工作一个周期停止。

若要再工作一个周期，可再次按下起动按钮。

按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工作，回到原位后停止。

按下急停按钮，系统立即停车。

4.步进工作方式：

每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。

按下急停按钮，系统立即停车。

1.2课题设计具体要求

1．PLC输入/输出点的分配。

2．编制机械手PLC程序及梯形图控制程序。

1.3课题研究的目的和意义

在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。

由于以上的问题，需要一种东西代替人在恶劣的环境中作业的要求呼之欲出，同时随着社会的进步，工业自动化产品的性能日益加强，而价格也因电子技术的高速发展而不断下降。

对原有的设备的电器控制可以高性价比进行改进，通过采用先进的控制技术和驱动技术，使设备的运行更加节能、高效、安全可靠。

机械手就在这样诞生了，自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。

机械手可在空间抓放搬运物体，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。

机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

机械手是工业机械手的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机械手。

工业机械手是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

广泛采用工业机械手，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有这十分重要的意义。

2机械手和PLC的概念及选择

2.1机械手的概念

机械手也被称为自动手。

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。

机械手主要由手部和运动机构组成。

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。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

2.2PLC的概念

可编程序控制器为（ProgrammableLogicController，简称PLC），是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC具有可靠性高、适应面广、抗干扰能力强、编程方便、对环境要求低、与其他装置配置连接方便等特点。

在工业自动化控制系统中占有极其重要的地位。

本文选用的PLC是西门子公司开发的S7-200系列。

3PLC控制机械手的系统

3.1机械手的流程图

由机械手的工作过程可知，这是一个典型的顺序控制系统。

为此，可从机械手的连续工作方式入手编写程序。

首先应绘出连续工作时的功能表如图3-1-1，然后直接列写逻辑表达式，用触点线圈指令编程，也可使用置位复位指令或顺序控制继电器指令来完成。

图3-1-1机械手动作功能表

3.2I/O地址分配

I/O地址分配如下表3-2-1所示。

表3-2-1机械手控制输入输出分配表

输入

输出

下降极限

M0.0

放松按钮

M1.1/I1.1

下降电磁阀

Q0.0

上升极限

M0.1

调试选择

M1.2/I1.2

夹紧电磁阀

Q0.1

右移极限

M0.2

步进选择

M1.3/I1.3

上升电磁阀

Q0.2

左移极限

M0.3

连续选择

M1.4/I1.4

上升按钮

M0.4/I0.4

单周选择

M1.5/I1.5

右移电磁阀

Q0.3

下降按钮

M0.5/I0.5

急停按钮

M1.7/I0.2

左移按钮

M0.6/I0.6

启动按钮

M2.0/I0.0

左移电磁阀

Q0.4

右移按钮

M0.7/I0.7

停止按钮

M2.1/I0.1

夹紧按钮

M1.0/I1.0

内部存储器的使用

空手下降状态

M5.1

右移状态

M5.4

空手上升状态

M5.7

夹紧状态

M5.2

重手下降状态

M5.5

左移状态

M4.0

重手上升状态

M5.3

放松状态

M5.6

原位状态

M4.1

3.3机械手的PLC编程语句

LDI1.2

=M1.2

LDI1.3

=M1.3

LDI1.4

=M1.4

LDI1.5

=M1.5

LDNM1.2

JMP0

LDI0.4

=M0.4

LDM0.4

LPS

ANM0.1

ANQ0.0

ANQ0.3

ANQ0.4

=Q0.2

LPP

TONT37,100

LDT37

=M0.1

LDI0.5

=M0.5

LDM0.5

LPS

ANM0.0

ANQ0.2

ANQ0.3

ANQ0.4

=Q0.0

LPP

TONT38,100

LDT38

=M0.0

LDI0.6

=M0.6

LDM0.6

LPS

ANM0.3

ANQ0.3

ANQ0.0

ANQ0.2

=Q0.4

LPP

TONT39,100

LDT39

=M0.3

LDI0.7

=M0.7

LDM0.7

LPS

ANM0.2

ANQ0.0

ANQ0.2

ANQ0.4

=Q0.3

LPP

TONT40,100

LDT40

=M0.2

LDI1.0

OM1.0

ANM1.1

=M1.0

LDM1.0

=Q0.1

LDI1.1

=M1.1

LBL0

LDNM1.3

JMP1

LDI0.2

=M1.7

LDI0.0

=M2.0

LDNC4

AC8

OC5

ANM0.1

ANQ0.2

LPS

ANM0.0

=Q0.0

LPP

TONT39,50

LDT39

=M0.0

LDC2

OQ0.1

ANM1.7

LPS

ANC1

=Q0.1

LPP

TONT37,50

LDC3

ANM0.2

OC6

ANM1.7

LPS

ANM0.1

=Q0.2

LPP

TONT40,50

LDT40

=M0.1

LDQ0.1

AC4

OQ0.3

OM0.2

ANM1.7

ANQ0.4

LPS

ANM0.2

=Q0.3

LPP

TONT41,50

LDT41

=M0.2

LDM2.0

LDM1.7

LDQ0.4

ED

OLD

CTUC1,6

LDC7

AC1

LPS

ANM0.3

=Q0.4

LPP

TONT42,50

LDT42

=M0.3

LDM2.0

LDM1.7

LDQ0.4

ED

OLD

CTUC2,2

LDM2.0

LDM1.7

LDQ0.4

ED

OLD

CTUC3,3

LDM2.0

LDM1.7

LDQ0.4

ED

OLD

CTUC4,4

LDM2.0

LDM1.7

LDQ0.4

ED

OLD

CTUC5,5

LDM2.0

LDM1.7

LDQ0.4

ED

CTUC6,7

LDM2.0

LDM1.7

LDQ0.4

ED

OLD

CTUC7,8

LDM2.0

LDM1.7

LDQ0.4

ED

OLD

CTUC8,1

LBL1

LDNM1.4

JMP2

LDI0.2

OM1.7

ANI0.0

=M1.7

LDI0.1

OM2.1

ANI0.0

=M2.1

LDI0.0

OM2.0

ANM1.7

=M2.0

LDM2.0

ANM0.1

ANQ0.2

LPS

ANM0.0

=Q0.0

LPP

TONT39,50

LDT39

=M0.0

LDM0.0

OQ0.1

ANM1.7

LPS

ANT38

=Q0.1

LPP

TONT37,50

LDT37

ANM0.2

OT38

ANM1.7

LPS

ANM0.1

=Q0.2

LPP

TONT40,50

LDT40

=M0.1

LDQ0.1

AM0.1

OQ0.3

OM0.2

ANM1.7

ANQ0.4

LPS

ANM0.2

=Q0.3

LPP

TONT41,50

LDT41

=M0.2

LDM0.0

LDT42

ANM2.1

OM1.7

CTUC1,2

LDC1

TONT38,30

LDM0.1

ANM1.7

AT38

LPS

ANM0.3

=Q0.4

LPP

TONT42,50

LDT42

=M0.3

LBL2

LDNM1.5

JMP3

LDI0.1

=M2.1

LDI0.2

=M1.7

LDI0.0

OM2.0

ANM1.7

=M2.0

LDM2.0

ANM0.1

ANQ0.2

LPS

ANM0.0

=Q0.0

LPP

TONT39,50

LDT39

=M0.0

LDM0.0

OQ0.1

ANM1.7

LPS

ANT38

=Q0.1

LPP

TONT37,50

LDT37

ANM0.2

OT38

ANM1.7

LPS

ANM0.1

=Q0.2

LPP

TONT40,50

LDT40

=M0.1

LDQ0.1

AM0.1

OQ0.3

OM0.2

ANM1.7

ANQ0.4

LPS

ANM0.2

=Q0.3

LPP

TONT41,50

LDT41

=M0.2

LDM0.0

LDI0.0

OM1.7

ANM2.1

3.4机械手自动控制的梯形图

CTUC1,2

LDC1

TONT38,30

LDM0.1

AT38

LPS

ANM0.3

=Q0.4

LPP

TONT42,50

LDT42

=M0.3

LBL3

END

4心得体会

这次的课设让我充分认识到了机械手的重要工业用途，明白它的工作原理，对学过的理论知识有了更深刻和直观的认识，也能够更加熟练地运用相关软件，现在能够独立地完成设计。

本文设计的机械手控制程序，基本上反映了机械手的结构和使用功能，效果直观，可操作性好；在该仿真上采用了PLC控制，基本上可应用于真实机械手中，因而在实践中，可基本脱离现场环境，事先编制出符合要求的控制软件，以达到提高实际调试的成功率，运行在不同的方式下，实现诸多操纵方式的模拟，克服了仿真软件功能单一，仅以演示为目的的局限性，为教学和科研提供了较理想的实验平台，具有实用和推广价值。

参考文献

[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京:

机械工业出版社,2013.8

[2]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012.3

[3]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].机械工业出版社,2006.1