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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。坐标式机械手的控制系统设计-电气控制与PLC课程设计题目:坐标式机械手的控制系统设计目录1系统描述及控制要求11.1系统描述11.2控制要求21.3注意事项32设计方案32.1方案论证32.2原器件选择43I/O分配表54外部接线图64.1I/O接线图64.2主电路图75梯形图86系统调试11设计心得13参考文献14-1系统描述及控制要求1.1系统描述机械手是在机械化、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
2、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
3、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
4、件的需要。1.2控制要求图1.1坐标式机械手动作原理图坐标式机械手动作原理图如图1.1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
5、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，则继续工作至物体放置到B位后自动停止工作并警铃报警。1.3注意事项（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
6、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。2设计方案2.1方案论证对于该系统的设计，控制器较常用的是选择PLC控制或单片机控制。对于PLC，随着PLC的出
7、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
8、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、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。2.2原器件选择2.2.1PLC的选择PLC选择三菱FX2N系列，它是FX系列
9、PLC家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。FX2N系列为大量实际应用而开发的特殊功能，开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要-模拟I/O，高速计数器。它的定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块，对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。在线程序编辑，在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。内置式24V直流电源24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或
10、其它元件。时钟功能和小时表功能，在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准，时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。远程维护远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据。2.2.2电机的选择在该系统设计中电机选择三相笼型异步电动机。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。绕线式三相异步电动机的转子和定子设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。三相笼型异步电动机的控制电路一般由接触器、继电器、按
11、钮等电器组成。起动方式有全压直接起动和降压起动两种。全压直接起动是一种简单、经济的启动方式。但全压直接起动的起动电流为电机额定电流的4到7倍，直接起动电动机的容量受到一定限制。可根据电动机起动频繁程度、供电变压器容量大小来确定允许直接起动的电动机的容量。三相笼型异步电动机具有结构简单、运行可靠、重量轻、坚固耐用、维修方便、价格便宜等优点，得到了广泛的应用。在一般工矿企业中，笼型异步电动机的数量占电力拖动设备总台数的85%左右，故选用三相笼型异步电动机。2.2.3电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电
12、源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。3I/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、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
13、列PLC，故该系统的I/O分配表如下表3.1所示：表3.1I/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左行KM6X6B下限行程SQ5X16手动放松SB10Y7原点指示KM7X7手动运行SB34外部接线图4.1I/O接线图根据I/O分配表，画出系统的I/O接线图，
14、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g图4.1PLC的I/O接线图4.2主电路图图4.2主电路图根据控制系统要求设计主电路，如图4.2所示，系统要用到两个电动机，对电动机M1和M2要求其能实现正反转，M1实现机械手的上下运动，M2实现机械手的左右运动。当KM2接通时M1正转，机械手向上运动，当KM3接通时M1反转，机械手向下运动。当KM5接通时M2正转，机械手向右运动，当KM6接通时，M2反转，机械手向左运动。系统通过组合开关QS来实现主电路的通断，通过熔断器FU1实现短
15、路保护，通过热继电器FR1、FR2实现电动机的长期过载保护。接线时应注意电动机的负荷及正反转的线路连接，以及线路中的过载保护FR1、FR2和短路保护FU1。5梯形图图5.1控制程序梯形图设计系统的梯形图，如图5.1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
16、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。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
17、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。6系统调试首先按已设计好的主电路图和硬件接线图连接好线路，打开电源。然后再将设计好的梯形图输入与PLC相连的电脑或编程器上，在电脑上编辑的程序则
18、要把完整的程序按其步长写入PLC中，之后打开PLC上的运行开关RUN运行程序，对系统进行调试。在实际调试之前可以先对设计好的软件程序进行模拟调试，即在电脑上实行监控操作。在梯形图被激活的状态下，点击“监控”菜单开始监控，也可以有针对性的进行监控（如使用强制元件输出或改变其当前值来实现）。若模拟的效果跟实际系统的要求相一致，则表示该程序是正确的，下一步可直接进入实际运行。如有错误应根据错误的现象集中有方向的对程序进行调整，直到不再出现错误为止。在程序的传送过程中若出现通信错误应检查PLC的电源是否打开或PLC和电脑的接口是否已连接上。系统调试包括硬件和软件两大部分，以软件为主。在调试过程中，两者
19、应协调一致。软件调试时，应首先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试时应尽可能逼近实际系统，并考虑到各种可能出现的状态，应作多次反复的调试，发生问题应及时分析和调整。要学会根据错误现象集中的检查线路或程序，检查线路开关的连接是否与程序要求相符合，确保实验面板上的开关接口都是好的，以及程序的编写是否正确，检查完毕后再运行程序进行调试。程序的设计应和调试相配合，由机械手的PLC控制程序设计可见,对于较复杂的控制系统,通常是先设计出整个控制系统的程序结构框图,然后先分段进行设计,如机械手控制程序中的手动操作程序和自动操作程序等,每设计出一段程序,接着就进行改段程序的调试。
20、这样即使程序有问题,也便于分析和修改。待各段程序都设计调试通过后,再按整个控制程序的结构框图将各分段程序进行组合,最后再进行全程序的调试。一般而言,只要各分段程序调试通过,则全程序的调试就很顺利了。设计心得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
21、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
22、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。参考文献1常晓玲.电气控制系统与可编程控制器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