机械手电气控制系统设计.docx
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机械手电气控制系统设计
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、基本要求：
●设置机械手复位按钮
●设置单步/连续切换开关
2、提高要求
编制四个驱动电机的保护程序。
要求自动检测电机是否处于堵转状态。
若电机处于堵转状态，应立即停止系统工作，并点亮故障报警灯；故障排除后，按下复位按钮，故障报警灯熄灭；
连续运行模式下，统计传输工件的个数，存储于PLC的V型数据区，以备组态监控使用，也可用状态表监视其状态变化。
3、使用AutoCAD软件绘制系统电气原理图；
4、使用MicroSoftOfficeVisio软件绘制软件流程图；
5、绘制输入输出表（I/O表）；
目录
1设计思路或方案选择4
1.1本系统的控制方案4
1.2控制要求4
1.3系统各大功能4
1.3.1驱动系统4
1.3.2控制系统4
1.3.3执行机构4
1.4系统结构框图4
1.5PLC的定义4
1.6PLC的特点4
2硬件电路设计4
2.1电气原理图4
2.1.1输出驱动单元4
2.1.2输入检测单元4
2.1.3输入输出接口电路介绍4
2.1.4输入接口电路板4
2.1.5输出接口4
2.2I/O分配表4
2.2.1为PLC的输入输出编址4
3软件设计4
3.1主流程图4
3.2复位子程序流程图4
3.3单步流程图4
3.4连续流程图4
4程序调试4
4.1调试设备4
4.2遇到的问题与解决方法4
5心得体会4
附录1参考文献4
附录2程序清单4
摘要
为工业机械手研制一个技术性能优良的控制系统，对于提高工业机械手的整体技术性能来说具有十分重要的意义。
本论文正是针对这一课题，选择了可编程控制器（PLC）作为工业机械手的控制系统，这对提升工业机械手的整体技术性能起到了良好的作用。
本论文的控制对象是由三个搬运机械手组成的机械手群，每个机械手完成八个基本动作，三个机械手互相配合动作。
机械手由气缸驱动，气缸受电磁阀控制。
限位开关检测机械手是否到达固定位置。
可编程控制器（PLC）控制每个机械手的动作，实现机械手群的自动运行。
本论文可编程控制器（PLC）选用西门子（SIEMENS）公司S7–200系列的CPU224，并扩展了EM221数字量输入模块和EM222继电器输出模块。
机械手的开关量信号直接输入PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。
在软件上，设计了主程序和子程序。
主程序控制机械手群动作，子程序控制每个机械手动作。
本论文的重点放在PLC各硬件部分的设计和介绍、PLC梯形图的编写上。
在整体设计过程中按照“提出问题，分析问题，解决问题”的主导思想，对整个系统的设计工作做出了细致的阐述。
关键词：
可编程控制器（PLC）；气动机械手；梯形图；CPU224；
1设计思路或方案选择
1.1本系统的控制方案
在工业自动化生产中常用的控制系统有：
传统的继电器—接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。
但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。
因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。
是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势
1.2控制要求
如下图所示为某生产车间中自动化搬运机械手，用于将左工作台上的工件搬运到右工作台上。
机械手的全部动作由液压驱动。
液压泵由电磁阀控制，其上升/下降、左移/右移运动由双线圈两位电磁阀控制，即上升电磁阀得电时机械手上升，下降电磁阀得电时机械手下降。
夹紧/放松运动由单线圈两位电磁阀控制，线圈得电时机械手夹紧，断电时机械手放松。
图2.1机械手的动作示意图
为便于控制系统调试和维护，本控制系统应有手动功能和显示功能。
当手动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。
当机械手处于原位时，将手动/自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态，手动按钮无效。
1.3系统各大功能
1.3.1驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。
它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。
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。
1.3.2控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。
目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。
该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视。
1.3.3执行机构
1）、手部
即与物件接触的部件。
由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本设计中我们采用夹持式手部结构。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。
手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。
回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。
平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。
手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。
而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。
传力机构型式较多时常用的有:
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2）、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。
手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。
工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。
3）、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。
机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
4）、机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
1.4系统结构框图
机械手的工作原理：
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。
在PLC程序控制的条件下，来实现执行机构的相应部位。
1.5PLC的定义
美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：
可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。
它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。
早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC，后来随着计算机计术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般仍把PLC作为可编程控制器的简称。
1.6PLC的特点
可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。
（2）编程简单，易于掌握PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。
（3）功能完善，灵活方便随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。
既可以单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。
而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。
（4）体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构经凑、功耗低。
2硬件电路设计
2.1电气原理图
被抓取物品
手部
手臂
立柱
图2-1机械手的系统工作原理框图
在实际工程运用中必须有系统接线图，绘制电气原理图采用CAD绘图方法。
主要绘制主电路和控制电路。
在每张图纸中最多只能有八个点。
在绘制时主电路和控制电路分开。
在控制电路中输入与输出分开。
由于接线图和真实的接线图必须一一对应，所以在接线图的绘制中必须考虑实际的情况：
如空开的使用，电机的接地保护等。
2.1.1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。
2.1.2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。
2.1.3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2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2-2输入输出接口电路板
2.1.4输入接口电路板
输入接口电路板原理图如图3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）。
板上设有光电隔离电路，将内外电源隔离，以保护设备安全。
图2-3输入接口电路板电气原理图
2.1.5输出接口
输出接口（如图4所示）由两块电路板构成：
驱动电路板和输出接口电路板。
它们的功能是将PLC输出的控制信号用于驱动继电器动作，从而控制电动机正向或反向运行。
输出接口电路板上也设有光电隔离电路，可将内外电源隔离。
左图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。
右图为输出接口电路板电气原理图，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2-4输出接口电路电气原理图
2.2I/O分配表
2.2.1为PLC的输入输出编址
本设备8个输入信号，对应输入接口电路板的8根输入信号线。
各信号线对应的行程开关如表2-1所示。
本设备有8个输出控制信号，对应输出接口电路板的8根输出信号线。
各输出信号线对应的电动机动作关系如表2所示。
为每个需要使用的输入输出功能I/O分配功能。
以便在接线和绘图提供有力的地址一依据。
其编址表如下表
表2-1PLC输入输出编址表
输入编址表
输出编址
左转到位
I0.0
摆动点击左转
Q0.0
右转到位
I0.1
摆动电机右转
Q0.1
退回到位
I0.2
水平电机伸出
Q0.3
伸出到位
I0.3
水平电机退回
Q0.2
上移到位
I0.4
垂直电机上移
Q0.4
下移到位
I0.5
垂直电机下移
Q0.5
手指张开到位
I0.6
手指电机张开
Q0.6
手指夹紧到位
I0.7
手指电机夹紧
Q0.7
3软件设计
3.1主流程图
在主程序流程图中（如图3-1），可以看出各种模式的切换是根据开关所处的位置来决定的。
很据处位置所处的位置的不同调用不同的子程序。
可以看出这种方法的思路简单。
而且易于实现，避免了逻辑的复杂性。
在在相应的模式里面加入限制条件这样就能够实现所需求的动作
图3-1手动子程序流程图
3.2复位子程序流程图
在复位流程图（图3-2）从子程序可以看出，运用各个位置的记忆，对模式的切换有很大的帮助。
且回原点显得最为简单。
图3-2复位程序流程图
3.3单步流程图
图3-3单步流程图
3.4连续流程图
图3-4连续流程图
4程序调试
4.1调试设备
系统调试分模拟调试和联机调试
硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分的可靠性。
软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的指示灯进行。
需要模拟量信号I/O时，可用电位器和万用表进行。
调试时，可利用上述外部设备模拟各种现场开关和传感器的状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确。
如果有错误则修改程序后反复调试。
现在PLC的主流产品都可在PC上编程，并可在PC上进行模拟调试。
连机调试时，可把编制好的程序下载到现场的PLC中。
有时PLC也许只有一台，这时就要把PLC安装到控制柜相应的位置上。
调试时一定要先将主电路断开，只对控制电路进行连机调试。
通过现场连机调试信号的接入常常会发现软硬件中的问题，有时厂家对某些控制功能进行改造，反复调试后，控制系统才能交付使用。
机械手实验设备如图4-1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4-1机械手调试设备
4.2遇到的问题与解决方法
调试的难点在回原点和各个模式间的相互转换。
在程序设计时应该首先考虑如何回原点和模式转换的问题，因为这将影响到你设计成需的思路。
我选择了记忆各个位置的算法，虽然程序显得比较繁琐，但却能实现各个功能，而且程序格式清晰。
设计机械手动作的逻辑顺序和程序不够完善，经过多加练习，慢慢就掌握了顺序控制的方法
5心得体会
在本次设计中，我学会了运用CAD绘制电气接线图。
对电气的操作规范有了深刻的认识。
在程序设计中要总体设计程序思路。
然后分块设计。
在程序设计中我加强理解PLC基本指令的使用方法。
对基本指令的具体运用有了深刻的概念。
在程序的调试阶段，体会到调试程序的重要性。
在自己设计的程序一般来说都有许多逻辑错误如果不经过调试一般很难发现，如：
输出的覆盖，上一句话线圈接通，而下一条指令却又把它关断，在如该复位的再下一个模式里没有复位。
总之，会有许多问题。
经过这两周的实习，我对PLC的认识进一步加强。
在设计接线图时，理解了硬件部分。
在硬件中输入运用PLC的内部24V电源。
在输出中运用外接24V电源驱动。
这些问题如果不实际操作很难深刻认识。
程序设计中，复习了各种指令的运用。
加强了自己的动手能力，我们应该多参加这样的训练。
系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。
在这过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了经验。
控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。
系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。
在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。
附录1参考文献
[1]张卫平.开关变换器的建模与控制[M].北京：
中国电力出版社，2006.
[2]曹文思，杨育霞.基于状态空间平均法的BOOST变换器仿真分析[J].系统仿真学报，2007.
[3]伍言真.DC/DC开关变换器建模分析及其变结构控制方法的研究[D].广州：
华南理工大学，1998.
[4]TakagiT,SugenoM.Fuzzyidentificationofsystemsanditsapplicationstomodelingandcontrol[J].IEEETransonSystems,ManandCybernetics,1985.
附录2程序清单
目录
第一章项目基本情况3
一、项目情况说明3
二、可行性研究的依据5
第二章项目建设的必要性与可行性8
一、项目建设背景8
二、项目建设的必要性9
三、项目建设的可行性14
第三章市场供求分析及预测17
一、项目区生猪养殖和养殖粪污的利用现状17
二、禽畜粪污产量、沼气及沼肥产量调查与分析18
三、项目产品市场前景分析20
第四章项目承担单位的基本情况21
一、养殖场概况21
二、资产状况21
三、经营状况21
第五章项目地点选择分析23
一、选址原则23
二、项目选点23
三、项目区建设条件24
第六章工艺技术方案分析27
一、污水处理模式的选择27
二、处理工艺的选择29
三、项目工艺流程31
四、主要技术参数35
五、主要设备选型39
第七章项目建设目标40
一、项目建设目标40
二、项目建设规模40
第八章项目建设内容42
一、建安工程42
二、仪器设备46
第九章投资估算和资金筹措48
一、投资估算的范围48
二、投资估算的依据48
三、投资估算49
四、资金使用计划54
五、资金筹措54
第十章建设期限和实施进度安排55
一、项目建设期限55
二、项目实施进度安排55
第十一章土地、规划和环保57
一、土地与规划57
二、环境保护57
三、安全防护60
第十二章项目组织管理与运行63
一、项目建设组织管理63
二、项目建成后运行管理66
三、项目运行费用67
第十三章效益分析与风险评价69
一、经济效益分析69
二、项目风险评价72
三、生态效益75
四、社会效益76
五、附表77
第十四章招标方案78
一、编制依据78
二、招标范围78
三、招标方式78
四、招标组织形式79
有关证明材料及附件81
升级会员 