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1、精选优质文档-倾情为你奉上实 验 报 告分布式控制技术及其应用学 院机械工程学院实验名称坐标式机械手的控制系统设计学 号姓 名指导老师目 录一、引言随着现代工业设备的自动化越来越多的工厂设备采用PLC、变频器和人机界面自动化器件来控制，因此自动化程度越来越高。电气控制技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展。对于PLC，随着PLC的出现，逐渐取代了继电器电路，随着计算机的发展和渗透，PLC技术也在不断提高和完善。PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常
2、可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。PLC技术有以下优点：编程方法简单易学，功能强，性能价格比高，硬件配套齐全，用户使用方便，使用性强，可靠性高，抗干扰能力强，系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便体积小，能耗低，效率高等。对于单片机，现今的单片机正向着提高工业环境下控制系统的可靠性和灵活方便地构成应用系统界面的方向发展，并且控制功能越来越丰富。在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、
3、和I/O外，还有A/D、D/A、PWM、DMA、看门狗、串行接口和定时器/计数器等，另外还有显示驱动、键盘控制、比较器和函数发生器等，能构成功能强大的应用系统。单片机比适合应用于嵌入式系统，体积小，集成度高。通过比较论证，从经济和效率等方面考虑，选用PLC作为坐标式机械手设计的控制器。二、研究的目的及意义机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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
4、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大等特点。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。在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。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。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。，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。例如：（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床
5、上使用较为普遍。（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。（3）宇宙及海洋的开发。（4）军事工程及生物医学方面的研究和试验。 （5）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（6）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。该设计是利用PLC控制按钮的开与关来实现机械手对物体的搬运过程。 通过按钮来进行对机械手的控制，不仅有自动控制简单方便，而且还有手动控制以满足条件的需要。三、题目分析坐标式机械手动作原理图如右图所示。其控制要求：将物体从位置A搬至位置B。（1）动作顺序：机械手从原点位置起始下移到
6、A处下限位从A处夹紧物体后上升至上限位右移至右限位机械手下降至B处下限位将物体放置在B处后上升至上限位左移至左限位（原点）为一个循环。（2）上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制；机械手设立起动和停止开关。（3）机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。（4）机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。（5）若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。（6）要求循环工作1小时时，判断机械手是否夹有物体，若没有，则立即自动停止工作并警铃报警；若夹有物体，则继续
7、工作至物体放置到B位后自动停止工作并警铃报警。四、设计思路（1）上升和下降机械手上升或下降的动作都要到位，否则不能进行下一个工作步。上升或下降的动作用两个带线圈的电磁阀控制。（2）夹紧和放松机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位处进行，且其动作都要到位。为了确保夹紧和放松的动作可靠性，需对这两个动作进行定时。加紧和放松动作由单线圈的电磁阀控制，电磁阀线圈的得电为夹紧，失电为放松。（3）左行和右行自动方式时，机械手的左、右运动必须在压动上限位开关后才能进行；机械手的左、右运动都必须到位，以确保在左工作台取到工件并在右工作台下放下工件。可使用上限位开关、左上限位开关和右上限位开关进行控制。左行、右行
8、的动作由双线圈电磁阀控制。（4）自动运行自动方式下误操作的禁止：自动方式时，按一次起动按钮自动运行方式开始后，再按别的操作按钮错误操作，程序对错误操作不予响应。（5）手动运行手动运行时，只有按下单步上升、单步下降、单步左行、单步右行、手动夹紧放松时机械手会动作，同样再按别的操作按钮错误操作，程序对错误操作不予响应。五、I/O分配表分析系统控制要求，系统可以选择自动和手动工作方式，其输入信号有启动、停车、上限行程、左上限行程、A下限行程、右上限行程、B下限行程、手动运行、自动运行、单步上升、单步下降、单步左移、单步右移、手动夹紧、手动放松共15个按钮信号。输出有夹紧、上升、下降、报警指示、右行、
9、左行、原点指示共7个信号。由此可知，系统所需的输入点数为15，输出点数为7，且都是开关量。根据以上分析，此系统属于小型单机控制系统，我选用的是三菱FX2N系列PLC，故该系统的I/O分配表如下表3.1所示： 表5.1 I/O分配表输入地址号信号名称代号输入地址号信号名称代号输出地址号信号名称代号X0启动SB1X10自动运行SB4Y0夹紧KM1X1停车SB2X11单步上升SB5Y2上升KM2X2上限行程SQ1X12单步下降SB6Y3下降KM3X3左上限行程SQ2X13单步左移SB7Y4报警指示KM4X4A下限行程SQ3X14单步右移SB8Y5右行KM5X5右上限行程SQ4X15手动夹紧SB9Y6
10、左行KM6X6B下限行程SQ5X16手动放松SB10Y7原点指示KM7X7手动运行SB3六、外部接线图根据I/O分配表，画出系统的I/O接线图，如图4.1所示。另外接线图中添加了信号灯，分别来作为机械手在A下限、左上限、上限、右上限、B下限的状态指示，输出接口中Y4接有报警显示灯，Y7接有原点位置指示灯。 图6.1 PLC的I/O接线图七、程序及仿真7.1程序图7.1 控制程序梯形图设计系统的梯形图，如图7.1所示。该梯形图主要由报警电路程序，手动操作程序，自动循环运行程序组成。图中从第9行到第25行为报警电路程序，当系统在自动运行状态，循环工作1小时时，判断机械手是否夹有物体，若没有，则立即
11、自动停止工作并警铃报警；若夹有物体，则继续工作至物体放置到B位后自动停止工作并警铃报警。图中从第30行到第66行，为手动单步操作程序，当机械手停止时不在原点位置，但手动开关X7闭合时可通过线圈和手动开关分别控制机械手的上升、下降和左移、右移，使之回到原点，图中上升和下降，左移和右移都有联锁和限位保护，防止控制电路烧坏。从第67行到第168行为自动操作运行程序。自动操作时当机械手处于原位时，按启动按钮X10接通，机械手从原位到达A下限位，使A下限位行程开关X4接通，延时0.5S电磁阀夹紧，电磁力达到最大夹紧力，延时1S，机械手上升。当上升到达最高位，上限行程开关X2接通，延时0.5S驱动Y5右移
12、。移到最右位，右上限行程开关X5接通，延时0.5S驱动Y3下降。下降到最低位，B下限行程开关X6接通，延时0.5S机械手放松。为了使电磁力完全失掉，延时1S。延时时间到，驱动Y2上升。上升到最高位，上限行程开关X2接通，延时0.5S驱动Y6左移。左移到最左位，左上限行程开关X3接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。这是通过多个线圈来控制系统按给定的顺序运行。上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制，这是由行程开关来控制。机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升，机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一
13、个动作，这是通过定时器来控制线圈的通，进而控制电机运行。7.2 仿真八、总结与分析本次课程设计的内容是坐标式机械手的控制系统设计，该设计基本是根据PLC及电气的相关知识来完成的，考虑到可编程控制的诸多优势以及方便调试与修改，本设计选用了此方法来实现控制。PLC的应用是以PLC为程控中心，组成电气控制系统，实现对生产过程的控制。PLC的程序设计是PLC应用的最关键问题，也是整个电气控制系统设计的核心。当拿到一个课题时首先要对它进行系统分析，熟悉系统控制对象确定控制范围，然后制定控制方案，进行PLC选型，接着对硬件和软件进行设计，所有这些确定后才能开始真正的设计即编制程序。程序的编制一定要和硬件的
14、设置对应起来，否则就算编程正确也不能正确输出。就一个课题而言它的要求只是个大概的控制情况，而在设计中一些具体的细节类控制方案要靠自己去完善，有时候为了方便观看运行后的效果可以添加一些辅助元件，如指示灯之类的输出元件。整个设计过程实际是对我们所学知识的综合考核。设计的完成不仅巩固和提高了我的专业还使我们学到了许多书本上以外的东西，遇到问题先自己分析考虑再和同学讨论并向老师请教，在实际运行时锻炼了自己的动手能力，调试过程也是发现错误和改正错误的过程，在实践中不断完善。当真正调试成功时内心的激动是无法言表的，只有真正亲身体验才能明白，使我们真正学到了知识掌握了知识。九、参考文献1 常晓玲.电气控制系
15、统与可编程控制器M.北京:机械工业出版社，20042 郭威,崔群.基于单PLC的笼型异步电机控制系统设计J. 安徽工程科技学院学报.2006(3): 59-623 田瑞庭.常用可编程逻辑控制器及编程软件使用手册J.北京：机械工业出版社，19944 王兆安.电力电子技术M.北京：机械工业出版社,20035 肖清、王忠锋.西门子PLC课程设计指导书J.20096 袁任光.可编程序控制器应用技术与实例M.广州:华南理工大学出版社,19977杨卫东.仪表技术杂志J.北京：科学出版社，20078 钟肇新,彭侃.可编程控制器原理及应用M.广州：华南理大学出版社，2003.59 章文浩.可编程控制器原理及实验J.北京:国防工业出版社，200310 张万忠. PLC应用开发技术与工程实践J.北京:人民邮电出版社,2005.1专心-专注-专业