plc課程設計--機械手電氣控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　課程設計報告書</b></p><p>　　課程名稱： 《PLC技術與工程應用》 </p><p>　　課題名稱： 機械手電氣控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　系部名稱： 自動控制系 </p><p>　　專業(yè)班級：

2、計控102班 姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　2012年 06月20日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

3、<b>　　目錄1</b></p><p><b>　　1、引言4</b></p><p>　　2、系統(tǒng)總體設計要求6</p><p>　　3、系統(tǒng)方案設計6</p><p>　　4、上位監(jiān)控系統(tǒng)設計12</p><p>　　5、 程序調(diào)試14</p>

4、<p>　　5.1 調(diào)試設備14</p><p>　　5.2 遇到的問題與解決方法14</p><p><b>　　6、心得體會15</b></p><p>　　附錄1 參考文獻16</p><p>　　附錄2 程序清單17</p><p><b>　

5、　引言</b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作。</p><p>　　機械手是近代自動控制領

6、域中出現(xiàn)的一項新的技術機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受

7、到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。</p><p>　　機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。</p><p>　　機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由

8、人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。</p><p>　　機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。</p><p>　　隨著人類的發(fā)展、文明的進步，工業(yè)正不斷發(fā)展著，需要人們完成的工作量也不斷增大（尤其是那種重復性大的工作，像傳運貨物），涉及到

9、危險性的工作也日趨增多，這就迫使人們研究開發(fā)一種新裝置，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作的一種裝置，而機械手正是這樣一種裝置：它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。</p><p>　　2、系統(tǒng)總體設計要求</p><p><b>　　

10、設計目的：</b></p><p>　　學習PLC電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和系統(tǒng)設計思路；</p><p>　　鍛煉實際應用程序開發(fā)能力；</p><p>　　提高電氣制圖、流程圖繪制及辦公文檔編輯能力。</p><p><b>　　設計要求：</b></p><p><b>

11、　　1.基本要求：</b></p><p><b>　　設置機械手復位按鈕</b></p><p>　　機械手每次的工件輸送過程，都應該從初始位置開始。定義右轉到位、上行到位、退回到位及手指張開到位同時滿足時為機械手初始位置。</p><p>　　開機運行時，機械手應該首先自動回到初始位置；若遇到特殊情況，機械手停在非初始位置，按下

12、復位按鈕即可實現(xiàn)復位。</p><p>　　設置單步/連續(xù)切換開關</p><p><b>　　在單步模式下</b></p><p>　　按下啟動按鈕(若機械手處于初始位置，則開始運行；否則，按下復位鍵，使機械手復位)伸出下行手指夾緊上行左轉下行手指張開上行退回左行停止</p><p>　　注：以上連貫動作實現(xiàn)時，某些動

13、作(見上述動作字體加粗部分)可以同時進行。在連續(xù)模式下</p><p>　　按下啟動按鈕，上述動作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個工件的傳輸過程。</p><p>　　連續(xù)模式下，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作結束后，停止運行。</p><p><b>　　2.提高要求</b></p><p>　　編制四個驅(qū)動

14、電機的保護程序。要求自動檢測電機是否處于堵轉狀態(tài)。若電機處于堵轉狀態(tài)，應立即停止系統(tǒng)工作，并點亮故障報警燈；故障排除后，按下復位按鈕，故障報警燈熄滅；</p><p>　　連續(xù)運行模式下，統(tǒng)計傳輸工件的個數(shù)，存儲于PLC的V型數(shù)據(jù)區(qū)，以備組態(tài)監(jiān)控使用，也可用狀態(tài)表監(jiān)視其狀態(tài)變化。</p><p><b>　　3. 高級要求</b></p><p&g

15、t;　　利用上位機組態(tài)軟件組態(tài)監(jiān)控畫面，或利用觸摸屏組態(tài)監(jiān)控畫面，監(jiān)控機械手的生產(chǎn)過程。</p><p><b>　　3、 系統(tǒng)方案設計</b></p><p><b>　　3.1 概述</b></p><p>　　機械手是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的自動化設備，它具有工件的自動取拿、移動和輸送功能。機械手機構控制涉及了PLC、傳

16、感器、電機驅(qū)動等技術。</p><p>　　機械手實驗設備如圖1所示。該設備可以實現(xiàn)手臂的左右擺動、伸出與退回、上下移動、機械手指的夾緊與張開等四自由度動作。</p><p>　　圖1. 機械手實驗設備</p><p>　　3.1.1 輸出驅(qū)動單元</p><p>　　該設備四自由度動作由四臺直流電動機驅(qū)動，每臺電動機可進行正反轉運行。左右

17、擺動由齒輪組嚙合實現(xiàn)減速傳動；伸出與退回、上下移動由直流減速電機驅(qū)動絲杠--螺母結構完成；機械手指的夾緊與張開由直流減速電機驅(qū)動連桿結構實現(xiàn)。該設備共有8個動作，由控制器輸出信號驅(qū)動。</p><p>　　3.1.2輸入檢測單元</p><p>　　每個自由度運行極限位置設置了兩個行程開關，用于判斷當前動作是否到位。該設備共有8個行程開關作為控制器的輸入信號。</p><

18、;p>　　3.1.3接口電路介紹</p><p>　　機械手實驗設備既是所謂控制對象，對于一般工業(yè)控制，其控制核心使用可編程控制器(PLC)。設計輸入輸出接口電路 (如圖2所示) 的目的是為解決機械手設備輸出驅(qū)動單元、輸入檢測單元與PLC之間的信號接口問題。圖中上層電路板是驅(qū)動電路板，下層電路板左側是輸入接口電路板，右側是輸出接口電路板。</p><p>　　圖2. 輸入輸出接口電路

19、板</p><p>　　3.1.4輸入接口電路板</p><p>　　輸入接口電路板原理圖如圖3所示，其功能是將設備上行程開關的開關狀態(tài)轉換為統(tǒng)一的電平信號(邏輯1：24V DC ；邏輯0：0V DC)。板上設有光電隔離電路，將內(nèi)外電源隔離，以保護設備安全。</p><p>　　圖3. 輸入接口電路板電氣原理圖</p><p>　　本設備8個

20、輸入信號，對應輸入接口電路板的8根輸入信號線。各信號線對應的行程開關如表1所示。</p><p>　　表1. 輸入信號線與行程開關對應關系表</p><p>　　3.1.5 輸出接口</p><p>　　輸出接口(如圖4所示)由兩塊電路板構成：驅(qū)動電路板和輸出接口電路板。它們的功能是將PLC輸出的控制信號用于驅(qū)動繼電器動作，從而控制電動機正向或反向運行。輸出接口電路

21、板上也設有光電隔離電路，可將內(nèi)外電源隔離。</p><p>　　左圖為驅(qū)動電路板電氣原理圖，繼電器A吸合、B釋放，對應的電機正轉；繼電器A釋放、B吸合，對應的電機反轉；繼電器A、B同時釋放，電機停止運行；不允許二者都吸合。右圖為輸出接口電路板電氣原理圖，當PLC輸出的某路控制信號有效時，對應的輸出信號有效，從而可以使得對應的繼電器吸合。</p><p>　　圖4. 輸出接口電路電氣原理圖&

22、lt;/p><p>　　(左圖為驅(qū)動電路板，右圖為輸出接口電路板)</p><p>　　本設備有8個輸出控制信號，對應輸出接口電路板的8根輸出信號線。各輸出信號線對應的電動機動作關系如表2所示。</p><p>　　表2. 輸出信號線與電動機動作對應關系表</p><p>　　3.1.6 系統(tǒng)組成圖</p><p>　　

23、圖5、機械手電氣控制系統(tǒng)總組成圖</p><p>　　在計算機利用STP—7軟件進行程序的編寫，通過通訊線將程序下載到S7—200PLC中，PLC的輸入輸出與機械手的輸入輸出相連，程序下載成功后，撥動相應的開關機械手即可做出相應的操作，在計算機中可以進行對程序的監(jiān)控。</p><p>　　3.2 有關機械手的I/O系統(tǒng)變量定義及分配表</p><p>　　表3機械

24、手的輸入點分配表</p><p>　　表4機械手的輸出點分配表</p><p>　　3.3 系統(tǒng)接線圖設計 </p><p>　　圖6、機械手控制系統(tǒng)的接線圖</p><p><b>　　3.4流程圖</b></p><p>　　機械手程序的簡要說明：</p><p&g

25、t;　?。?）、撥動I1.2產(chǎn)生脈沖機械手可以產(chǎn)生單步運作， 在單步模式下按下啟動按鈕(若機械手處于初始位置，則開始運行；否則，按下復位鍵，使機械手復位)伸出下行手指夾緊上行左轉下行手指張開上行退回左行停止</p><p>　?。?）、將I1.2撥到閉合位置機械手連續(xù)模式運作，在連續(xù)模式下按下啟動按鈕，上述動作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個工件的傳輸過程。連續(xù)模式下，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作結束

26、后，停止運行。I1.4可以實現(xiàn)單周期和多周期的切換。</p><p>　　（3）、程序下載成功后，撥動啟動按鈕I1.0機械手進行自動復位，若機械手在運作過程中發(fā)生停止按復位按鈕I1.3可以進行機械手的復位。</p><p>　　4、上位監(jiān)控系統(tǒng)設計</p><p>　　本實驗所采用上位監(jiān)控系統(tǒng)是基于計算機的上STEP 7Micro WIN軟件，而進行對程序和設備的系

27、統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控，主要的過程如下：</p><p>　　熟悉STEP 7Micro WIN軟件的編程環(huán)境、編程方法和用STEP 7Micro WIN軟件編寫上位機監(jiān)控系統(tǒng)的程序。</p><p>　　根據(jù)課目設計要求，編寫程序。</p><p>　　對系統(tǒng)進行調(diào)試和I/O地址的分配、標釋。</p><p>　　運行機械手設備，打開上位機上的監(jiān)控系

28、統(tǒng)，觀察課目設計程序，并監(jiān)控機械手設備是否正常情況下工作。</p><p>　　對設備工作中的不足進行修改，重新進行觀察</p><p>　　圖7、機械手程序監(jiān)控實圖</p><p>　　圖8、機械手未計數(shù)時狀態(tài)</p><p>　　圖9、機械手運轉一周時狀態(tài)</p><p><b>　　5、 程序調(diào)試<

29、;/b></p><p><b>　　5.1 調(diào)試設備</b></p><p>　　首先在電腦的STEP-7-Micro /WIN編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，然后點擊運行并對其指出的錯誤進行修改，修改完最終運行無誤后將其下載到可編程控制儀器中；其次按照設計的要求接好線，確定無誤后按下啟動按鈕。啟動后發(fā)現(xiàn)程序并不能按照實驗要求的步驟進行運行，甚

30、至沒有可運行的跡象，這樣起初設計的單步程序和連續(xù)運行程序就失敗了，也就不符合設計中的要求動作依次有序進行操作的要求，所以務必要對其進行修正。這種情況下我采取了以下方案：</p><p>　　方案一：在沒有確定設備是否存在問題的情況下，首先我們對設備進行了檢測，發(fā)現(xiàn)不存在任何問題，在這種情況下我選擇了再一次用先前的步驟來完成整個過程以確定初次的接線過程是否有誤，結果發(fā)現(xiàn)和以前的運行結果一樣。這樣方案一就以失敗而告終

31、。</p><p>　　方案二：經(jīng)過老師的指點我才明白是最初的程序均是單獨的互不連接的，未經(jīng)子程序進行調(diào)用，因此就更不用提程序能連續(xù)運行了。于是我這次選擇了利用順序功能圖進行編程，摒棄了之前的程序，經(jīng)過對程序的一改再改之后，又一次對程序進行了調(diào)試并下載到可編程控制器中進行模擬檢測，結果仍然取得了不盡如人意的結果。于是就再去請教指導老師，經(jīng)過一番指導終于小有成果，可以使機械手進行預定步驟的動作的演示，所以此方案成功

32、了。</p><p>　　5.2 遇到的問題與解決方法</p><p>　　1、問題：“怎樣使機械手的工作狀態(tài)清晰而簡單呈現(xiàn)出來？”</p><p>　　法案：“采用功能圖進行程序的編寫與調(diào)試?！?lt;/p><p>　　2、問題：“如何解決機械手的動作單步運行？”</p><p>　　法案：“使用I1.2進行單步與連續(xù)

33、之間的切換?！?lt;/p><p>　　3、問題：“如何解決對工件數(shù)目的計數(shù)？</p><p>　　法案：“進行標志位設置，使用傳送指令、加數(shù)指令、上沿觸發(fā)指令，以循環(huán)動作的最后一步限位開關閉合作為觸發(fā)進行加數(shù)，把所得加數(shù)和送給VB0.</p><p><b>　　6、心得體會</b></p><p>　　機械臂的PLC控制

34、課程設計是自動化課程當中一個重要環(huán)節(jié)通過了2周的課程設計使我對課程設計過程有進一步了解，對自動化產(chǎn)品的有關的控制知識有了深刻的認識。</p><p>　　此次設計是在張士磊老師的悉心指導下完成的。老師為設計課題的研究提出了許多指導性的意見，為課程設計的撰寫、修改提供了許多具體的指導和幫助。張士磊老師的嚴謹治學、不斷探索的科研作風，敏銳深邃的學術洞察力，孜孜不倦的敬業(yè)精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文

35、結束之際，特向我敬愛的老師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！</p><p>　　通過此次設計，一方面讓我認識到自己的不足，發(fā)現(xiàn)了學習中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強對復雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎。再一方面也加強了我和老師的交流，認識到知識的淵博度。</p><p>　　因為理論知識學的不牢固，在設計

36、遇到了不少問題，如：遺忘以前學過的專業(yè)基礎知識。通過理論與實際的結合，進一步提高觀察、分析和解決問題的實際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動適應社會主義現(xiàn)代化建設需要的高素質(zhì)的復合型人才。運用學習成果，把理論運用于實際，使理論得以提升，形成創(chuàng)新思想。通過此次設計過程，鞏固了專業(yè)基礎知識，培養(yǎng)了我綜合應用機械設計課程及其他課程的理論知識和應用生產(chǎn)實際知識解決工程實際問題的能力，在設計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，為今后的學習和工作過程打下

37、基礎。</p><p>　　經(jīng)過這次的努力，使我順利的完成了此次課程設計。這份課程設計既是對這學期所學知識的總結，又是自己知識的積累，也大大加深了對可編程控制器技術的了解。</p><p>　　課程設計中既動腦又動手，是一個理論與實際結合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實際的，是我們所設計的實物，具有設計合理，經(jīng)濟實用的優(yōu)點。這就需要我們設計者考慮問題是要仔細、周密，不能有絲毫的大意

38、。對設計方案的優(yōu)越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實際。再次向教育指導我的老師及同學表示誠摯的感謝！</p><p>　　鑒于本人所學知識有限，經(jīng)驗不足，又是初次研究這種復雜的設計，在此過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請老師給予批評和指正。</p><p>　　附錄1 參考文獻</p><p>　　王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術（第二版）.

39、北京：北京航空航天大學出版社，2008.</p><p>　　西門子公司. SIMATIC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊.2004.6</p><p>　　姚永剛。電機與控制技術.北京：中國鐵道出版社.2010</p><p>　　[4] 朱獻清 鄭靜.電氣制圖.北京：機械工業(yè)出版社 .2012</p><p>　　[5] 王永華.現(xiàn)場

40、總線技術及應用教程.北京：機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[6] 西門子公司.MICROMASTER 用戶手冊。2004</p><p>　　附錄2 程序清單</p><p><b>　　主程序</b></p><p><b>　　子程序0</b></p><p