PLC机械手课程设计.docx
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PLC机械手课程设计
河南机电高等专科学校
课程设计报告书
课程名称：
《PLC技术与工程应用》
课题名称：
机械手电气控制系统设计
系部名称：
自动控制系
专业班级：
生产过程自
姓名：
学号：
121
2014年06月26日
设计任务书
设计目的：
1、学习PLC电气控制系统的开发过程和系统设计思路；
2、锻炼实际应用程序开发能力；
3、提高电气制图、流程图绘制及办公文档编辑能力。
设计要求：
1、设置机械手复位按钮
机械手每次的工件输送过程，都应该从初始位置开始。
定义右转到位、上行到位、退回到位及手指张开到位同时满足时为机械手初始位置。
开机运行时，机械手应该首先自动回到初始位置；若遇到特殊情况，机械手停在非初始位置，按下复位按钮即可实现复位。
2、设置单步/连续切换开关
a.在单步模式下按下启动按钮（若机械手处于初始位置，则开始运行；否则，按下复位键，使机械手复位）
伸出
下行
手指夹紧
上行
左转
下行
手指张开
上行
退回
右转
停止
b.在连续模式下按下启动按钮，上述动作依次发生，但回到初始位置之后，继续下一个工件的传输过程。
连续模式下，按下停止按钮，待本次工件传输工作结束后，停止运行。
目录
目录I
1设计思路或方案选择-1-
1.1机械手简述-1-
1.1.1设计功能及硬件组成-1-
1.2系统组成-2-
1.2.1输出驱动单元-2-
1.2.2输入检测单元-3-
1.3PLC工作原理-3-
2硬件电路设计-4-
2.1输入输出接口电路介绍-4-
2.1.1输入电路板-4-
2.1.2输出板电路-5-
2.1.3驱动电路-5-
2.1.4控制电路原理图-6-
2.2I/O分配表-6-
2.2.1输入信号-6-
2.2.2输出信号-7-
2.3机械手运动示意图-7-
3软件设计-8-
3.1总流程图及说明-8-
3.2重要程序及说明-9-
4程序调试-10-
4.1调试设备-10-
5心得体会-11-
附录1参考文献-12-
附录2程序清单-13-
1设计思路或方案选择
1.1机械手简述
机械手是工业生产过程中常见的自动化设备，它具有工件的自动取拿、移动和输送功能。
机械手机构控制涉及了PLC、传感器、电机驱动等技术。
机械手实验设备如图1所示。
该设备可以实现手臂的左右摆动、伸出与退回、上下移动、机械手指的夹紧与张开等四自由度动作。
图1.机械手实验设备
1.1.1设计功能及硬件组成
机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。
1．执行机构
机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。
手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。
手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。
简单的机械手可以没有手腕。
支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。
2.传动系统
执行机构的动作要由传动系统来实现。
常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
3.控制系统
机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
1.2系统组成
1.2.1输出驱动单元
该设备四自由度动作由四台直流电动机驱动，每台电动机可进行正反转运行。
左右摆动由齿轮组啮合实现减速传动；伸出与退回、上下移动由直流减速电机驱动丝杠--螺母结构完成；机械手指的夹紧与张开由直流减速电机驱动连杆结构实现。
该设备共有8个动作，由控制器输出信号驱动。
1.2.2输入检测单元
每个自由度运行极限位置设置了两个行程开关，用于判断当前动作是否到位。
该设备共有8个行程开关作为控制器的输入信号。
1.3PLC工作原理
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
1．每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。
2．输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
5．扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。
6．由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
图2西门子S7-200PLC实验台输入输出连线图
2硬件电路设计
2.1输入输出接口电路介绍
机械手实验设备既是所谓控制对象，对于一般工业控制，其控制核心使用可编程控制器（PLC）。
设计输入输出接口电路（如图3所示）的目的是为解决机械手设备输出驱动单元、输入检测单元与PLC之间的信号接口问题。
图中上层电路板是驱动电路板，下层电路板左侧是输入接口电路板，右侧是输出接口电路板。
图3.输入输出接口电路板
2.1.1输入电路板
输入电路板原理图如图4所示，其功能是将设备上行程开关的开关状态转换为统一的电平信号（逻辑1：
24VDC；逻辑0：
0VDC）。
图4.输入电路板电气原理图
2.1.2输出板电路
输出接口电路板电气原理图如图5所示，当PLC输出的某路控制信号有效时，对应的输出信号有效，从而可以使得对应的继电器吸合。
图5.输出电路板电气原理图
2.1.3驱动电路
图6为驱动电路板电气原理图，继电器A吸合、B释放，对应的电机正转；继电器A释放、B吸合，对应的电机反转；继电器A、B同时释放，电机停止运行；不允许二者都吸合。
图6.驱动电路电气原理图
2.1.4控制电路原理图
2.2I/O分配表
2.2.1输入信号
表1.输入信号线与行程开关对应关系表
输入信号线序号
（自左到右）
对应行程开关
备注
1
左转到位
I0.0
2
右转到位
I0.1
3
退回到位
I0.2
4
伸出到位
I0.3
5
上移到位
I0.4
6
下移到位
I0.5
7
手指张开到位
I0.6
8
手指夹紧到位
I0.7
9
连续运行按钮
I1.0
10
单步运行按钮
I1.1
11
停止按钮
I1.2
12
复位按钮
I1.3
13
程序急停按钮
I1.4
2.2.2输出信号
表2.输出信号线与电动机动作对应关系表
输出信号线序号
（自左到右）
对应电动机
备注
1
摆动电机左转
Q0.0
2
摆动电机右转
Q0.1
3
水平电机退回
Q0.2
4
水平电机伸出
Q0.3
5
垂直电机上移
Q0.4
6
垂直电机下移
Q0.5
7
手指电机张开
Q0.6
8
手指电机夹紧
Q0.7
2.3机械手运动示意图
B点A点
图7机械手运动过程示意
3软件设计
3.1总流程图及说明
图8.总流程图
3.2重要程序及说明
1、置位初始状态
2、恢复原位
3、原位标志
4、切换网络
5、停止网络
4程序调试
4.1调试设备
根据控制系统的硬件及软件的设计最后对本控制系进行整体性的操作控制调试：
首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。
启动后发现上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这样就不符合设计中每个动作依次有序进行操作的要求，务必对其进行修正。
在这种情况下我采取了以下操作：
一：
在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现运行的结果和先前一样出现灯均
亮。
这样方案一就以失败告终。
二：
通过对程序的再三检查后，发现并未出现语法上的错误。
会不会是运行的速度太快而出现一个周期接一个周期的快速运行呢？
在带着这个问题的情况下把程序的每个动作网络多加了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-Micro/WIN编程软件中运行，运行结果显示没有错误；再下载到可编程控制仪后接好线按下启动按钮，发现指示灯会按照设计动作的要求依次亮起而且程序也能按照设计的要求完成指定的单周期和多周期操作。
这样利用方案二就完成了整个实验的调试。
4.2遇到的问题与解决方法
1、对于出现的重复使用左行、上行和下行动作如何避免冲突？
在SCR段先用中间继电器表示其分段的输出逻辑，在出现的最后在进行合并输出处理。
2、怎样使机械手的工作状态清晰而简单呈现出来？
采用功能图进行程序的编写与调试。
3、在调试过程中如何发现错误？
通过监视、查看符号表来查看状态和数据。
5心得体会
学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分题的方式进行，每个人有一个题目。
我做的是机械手的PLC控制系统。
由于平时学的大多数是理论知识，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。
但通过各方面的查资料并向老师和同学请教。
我基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。
通过这次设计实践。
我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我的工程素质，在没有做实践设计以前，我对知道的掌握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
通过解决一个个在调试中出现的问题，我对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
通过向同学寻求帮助与合作，我的合作意识得到加强。
合作能力得到提高。
上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我还向别的同学请教。
在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。
通过比较选出最好的方案。
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，恳请老师给予批评和指正。
同时，还要感谢我的指导老师孟昕元老师及同学们对我的帮助，感谢他们。
附录1参考文献
[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术（第3版）北京航空航天大学出版社
[2]西门子公司. SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册
[3]朱献清 郑静.电气制图.机械工业出版社
[4]周明安田长留赵松杰等液压气动技术运用中国原子能出版社
[5]周元一电机与电气控制机械工业出版社
[6]汪晋宽马淑华吴雨川工业网络技术北京邮电大学出版社
附录2程序清单
1、程序块及注释
2、符号表
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