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1、电气控制与PLC课程设计 题 目: 坐标式械机手的控制系统设计 院系名称： 电气工程及其自动化 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 成绩：指导老师签名： 日期： 1目 录1 系统概述11.1 系统描述11.1.1主要应用方面11.1.2主要应用意义21.2控制要求21.3注意事项32 方案论证32.1方案论证33硬件设计53.1 主电路53.2 I/O分配63.3 I/O接线图63.4 元器件选型74 软件设计94.1主流程94.2梯形图95 系统调试12设计心得 14参考文献151系统描述即设计要求11 系统描述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，
2、加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，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。1.1.1 国内外机械工业、
3、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1.热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3.拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采
4、用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.1.2在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善
5、劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地
6、进行生产。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
7、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
8、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
9、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
10、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、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。3硬件设计3.1 主电路图 图4.2 主电路图根据控制系统要求设计
11、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。3 2I/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
12、、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系列PLC，故该系统的I/O分配表如下表3.1所示： 表3.1 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
13、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SB33.3I/O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4.1 PLC的I/O接线图3.4 原器件选择3.4.1 PLC的选择PLC选择三菱
14、FX2N系列，它是FX系列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
15、可用于外围设备，如传感器或其它元件。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。3.4.2 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
16、电路一般由接触器、继电器、按钮等电器组成。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。 3.4.3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
17、供电电源应设计选用220VAC电源，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。 4 软件设计4.1主流程图4.2 梯形图 图4.2 控制程序梯形图设计系统的梯形图，如图4.2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
18、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。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
19、。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。5 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
20、。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
21、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
22、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。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 为期一周的实训就这样结束了，在这一周让我收获了不少。我的第一次PLC实训我们还学习了PLC软件的安装，也实现了PLC与自动分拣控制系统的调试，最后完成了利用PLC成功控制了自动搬运手的正常运作。当然其中还学习了画图等一些与自己专业关联的知识。 我在实训的过程中，让我学到了许多东西，其中最主要的是PLC设计方法与应
23、用。设计步骤是首先是我们要弄清楚设备的顺序运作，然后结合PLC知识在图纸上画出顺序功能图，将顺序功能图转变为梯形图，之后利用PLC 软件编程。在练习的时候，我们可以实现用编辑好的程序与自动分拣设备进行调试。总的来说，我是较好的完成了既定任务。还有都不时去帮助其他同学解决一些问题。 PLC实训让我了解了plc顺序功能图、梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我更加了解了关于PLC设计原理与方法。按我的总结来看，有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。这次实训脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流，同学之间解决不了的问题就去找老师讨论。多和同学，老师讨论，你会得到意外的
24、收获。我们在做实训项目的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以互相交流设计方法以至达到更适合的设计方法，同时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。 总之，这次PLC实训真的给我很多的收获，给我弥补了很多我欠缺的知识以及巩固了之前所学的知识点等等。在今后的学习过程中，要更加努力的学习自己的专业知识多多与同学和老师交流，我相信在以后的工作里面有所作为。在此，我要很感谢指导老师以及我亲爱的同学们。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 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，19943 王兆安.电力电子技术M.北京：机械工业出版社,2003 4 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，2003.515