PLC机械手资料.docx

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PLC机械手资料

目录

1设计任务与要求3

1.1设计背景3

1.2设计要求3

2设计方案4

2.1控制器的选择4

2.1.1PLC简介4

2.1.2PLC的选型4

2.2电磁阀与光电开关选型5

2.3控制系统方案设计6

3硬件电路设计7

4软件设计9

4.1PLC编程语言简介9

4.2系统框图9

4.3程序框图11

4.4梯形图11

4.5程序执行过程13

5调试过程14

6总结16

7附录17

7.1组态示意图17

7.2PLC与组态软件连接18

8参考文献19

1设计任务与要求

1.1设计背景

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

1.2设计要求

机械手的全部工作是由气缸驱动，气缸又由相对应的电磁阀控制。

其中，上升／下降和左移／右移分别由双线圈两位置电磁阀控制。

例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。

只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。

同样，左移右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。

机械手的放松／夹紧由一个单线圈位置电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。

当该线圈通电时，机械手夹紧；当该线圈断电时，机械手放松。

当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台无工件时才允许机械手下降。

也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚：

来搬走时，机械手应自动停止下降，所以要用光电开关进行无工件检测。

机械手的动作过程如图3-1所示。

从原点开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手下降。

下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。

夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。

右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。

若此时右工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。

下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。

放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。

左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。

至此，机械手经过八步动作完成了一个周期的动作。

2设计方案

2.1控制器的选择

2.1.1PLC简介

1、PLC定义可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

PLC种类有很多，生产厂家也很多，常见的有

美国的：

A-B公司，通用电气，莫迪康，TI，西屋

欧洲：

西门子，AGE，TE，

日本：

三菱，欧姆龙，松下，富士，日立，东芝

PLC按控制规模又可分为小型，中型和大型PLC，其中I/O点数一般在128点以下的为小型PLC，中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间，一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。

2.1.2PLC的选型

根据控制要求我们选择西门子S7-200系列PLC，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。

集成的24V负载电源：

可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。

可用作负载电源。

不同的设备类型。

CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。

本机数字量输入/输出点。

CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。

本机模拟量输入/输出点。

CPU224XP具有2个输入点，1个输出点。

中断输入：

允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。

高速计数器。

4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器。

6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。

可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。

可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。

2.2电磁阀与光电开关选型

电磁阀（Electromagneticvalve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。

用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。

电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等，电磁阀从原理上分为三类：

1直动式电磁阀

原理：

通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

2分步直动式电磁阀

原理：

它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。

当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭

3先导式电磁阀

原理：

通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。

本控制系统中采用直动式电磁阀。

光电开关：

是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。

物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可以被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来计数机械臂的运动次数。

工作原理：

利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。

光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。

发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。

接收器有光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。

光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。

2.3控制系统方案设计

图1系统工作过程图

据图1分析，机械手的初始位置停在原点，按下启动按钮后，机械手将下降——夹紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——再上升——左移八个动作，完成一个工作周期。

机械手的下降，上升，右移，左移等动作变换，由相应的限位开关控制，而夹紧，放松动作的转换是由时间来控制的，为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未搬走，机械手应自动暂停，等待。

为此，需设置一个光电开关，以检测“无工件”信号。

3硬件电路设计

图2机械手工作过程图

图3S7-224硬件图

表1输入/输出分配表

功能

按钮

对应端口

功能

按钮

对应端口

启动

SB0

I0.0

电磁阀夹紧

YV5

Q0.1

停止

SB1

I1.0

电磁阀左上

YV1

Q0.2

左下限开关

SQ5

I0.1

电磁阀右行

YV4

Q0.3

左上限开关

SQ3

I0.2

电磁阀右下

YV2

Q0.4

右限位开关

SQ1

I0.3

放松电磁阀

YV6

Q0.5

光电检测

SQ6

I0.4

电磁阀右上

YV1

Q0.6

右下限位

SQ2

I0.5

电磁阀左行

YV3

Q0.7

右上限位

SQ4

I0.6

左限位

SQ7

I0.7

电磁阀左下

YV2

Q0.0

4.软件设计

4.1PLC编程语言简介

PLC程序设计语言一般有以下4种：

1.梯形图（LAD）

梯形图特点：

梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。

它是与继电器线路类似的一种编程语言，电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握

2.功能块图（FBD）

特点：

功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。

采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。

图4是对应图1交流异步电动机直接启动的功能模块图编程语言的表达方式。

3顺序功能图

顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。

编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。

4语句表（STL）

指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。

在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。

本系统程序采用梯形图设计

4.2系统框图

图4系统框图

4.3程序框图

图5程序框图

4.4梯形图程序如下

4.5程序执行过程：

按下启动开关，常开触点I0.0闭合，同时线圈Q0.0得电，相应的常开触点闭合常闭触点断开，Q0.0外接下降电磁阀，下降电磁阀得电，机械手下降，同时Q0.0的常开触点闭合形成自锁，当机械手下降碰到左下限位开关时，常开触点I0.1闭合，Q0.1线圈得电，相应的常开触点闭合常闭触点断开，Q0.1外接夹紧电磁阀，机械手夹紧工件Q0.1得电的同时接通定时器T34，延时一段时间保证可靠夹紧工件，定时时间到了以后线圈Q0.2得电，相应的常开触点闭合，常闭触点断开同时形成自锁，Q0.2外接上升电磁阀，机械手上升，当机械手上升碰到上限位开关时I0.2得电，线圈Q0.3得电，Q0.3外接右行电磁阀，机械手右行，当机械手碰到右限位开关I0.3得电且光电检测开关I0.4闭合，即工作台上无工件时接通Q0.4线圈，下行电磁阀得电机械手下行，当机械手碰到下限位开关时即I0.5得电，同时接通Q0.5线圈，放松电磁阀得电机械手放松，同时接通定时器T35，通过T35延时保证可靠放松，定时器定时时间到了以后，接通Q0.6，Q0.6外接上升电磁阀，机械手上升，碰到右上限位开关，接通左行电磁阀机械手左移，左移碰到左限位开关，左移电磁阀断电同时Q1.0得电，Q1.0外接显示灯，表示机械手在原点，经过定时器T37延时以后进行下个周期动作。

5调试过程

将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。

用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。

可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。

对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步，被驱动的负载是否发生相应的变化。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。

发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。

PLC程序下载：

程序编译完之后，STEP7－Micro/WIN32及PLC之间的通信关系也成功建立，此时可向PLC下载程序，然后收集状态监控或调试程序。

STEP7－Micro/WIN32提供了一套工具来调试和监控程序。

1.选择工作模式

选择菜单栏中的“PLC”“运行”或者“PLC”“停止”可进入相对的PLC模式；单击工具栏中的“运行”按钮或“停止”按钮，也可进入相应模式；还可以手工改变位于PLC上的开关或在程序内插入停止指令。

当PLC处于停止模式时，可利用图状态或程序状态查看操作数的当前值，也可以利用图状态或程序状态强迫数值（此操作只在梯形图和功能块图程序状态中使用），还可以利用图状态写入数值或写入和强迫输出，执行有限数目的扫描，通过状态图或程序状态查看影响。

在停止模式下，虽然能报告操作数状态，但PLC无法执行用户程序，达不到预期的控制效果。

如果想观察程序状态的连续更新，需将PLC转回运行模式。

2.打开程序状态

选择“排错”菜单中的“程序状态”，打开输出窗口；或单击调试工具条

中的“程序状态”按钮，短暂停顿后，程序编辑器窗口开始显示状态。

如果

作数值等于1（位打开），布尔指令（触点、线圈）将被显示成彩色块，非布尔

操作数则以通信速度允许的最快速度显示并更新。

3.执行有限次扫描

（1）单次扫描：

通过指定PLC运行的扫描次数，可以监控程序在改变进程变量时的情况。

PLC不支持对运行模式执行循环次数。

任何时候PLC从停止模式进入运行模式，该扫描的第一扫描位（SM0.1）将被激活。

由于PLC执行的速度很快，从程序状态很难监控到此位的变化，因此可以使用“单次扫描”命令，它使PLC从停止模式转变成运行模式。

执行单个扫描，然后再转回停止模式。

由于PLC只执行一次扫描，与第一扫描逻辑相关的状态信息不会消失，因此可以查看此信息，进而监控程序。

可在程序编辑器窗口显示要监控的程序部分，确定打开程序状态，将PLC置于停止模式，使用“单次扫描”命令。

（2）多次扫描：

单次扫描并不能完全收集系统连续执行时系统状态信息的变化，需要连续或间断地收集状态信息。

可以指定PLC执行有限次的程序扫描（从1次扫描至65355次扫描）。

当PLC处于停止模式时，可利用多次扫描特征查看一次或多次扫描。

确定PLC为停止模式后，选择菜单栏中的“排错”“多次扫描”，出现执行扫描对话矿，如图？

所示。

在执行扫描对话框中输入所要进行的扫描次数，单击“确认”按钮。

（3）程序保存：

当然，要想使自己所编写保密，也可以对其进行保密设置。

选择“文件”菜单中的“设置密码”，打开用密码保护本窗口，在“密码”及“验证”框中输入相应的密码和验证码即可。

当然，若不想对自己的程序进行保密设置，就在“密码”及“验证”框中不输入任何数值。

选择“文件”菜单中的“保存”选项，之后选择“退出”选项，在出现的项目保存框中选择“是”即可。

6总结

和学别的学科一样，在学完plc理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。

我们做的是机械手臂的plc控制系统。

由于平时大家都是学理论，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学习。

我们基本学会了plc设计的步聚和基本方法。

分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。

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，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们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。

能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对plc的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

通过合作，我们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，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，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，同时我们还向别的同学请教。

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。

能过比较选出最好的方案。

在这过程也提高了我们的表过能力。

通过此次课设，让我了解了plc梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于plc设计原理。

有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。

虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。

多和同学讨论。

我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。

讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。

多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题

在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。

在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。

做事要学思结合。

7附录

7.1组态示意图

图6

图7

7.2PLC与组态软件连接

图8

8参考文献

[1]《电工电子选训教程》董儒胥主编上海交通大学出版社2006.

[2]《机械手的PLC控制》王丽伟，刘轩..机床电器2006.3

[3]《.PLC分析与设计应用》周万珍.北京：

电子工业出版社,2004

[4]《PLC编程及应用》廖常初主编机械工业出版社2003

[5]《现代电气及可编程技术》王永华主编北京航空航天大学出版社2006

[6]《电气与可编程序控制器技术》汤以范主编机械工业出版社2004

指导教师评语：

成绩：

指导教师签字：

年月日