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1、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Microsoft Office Visio
2、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11-1本系统的控制方案11.2控制要求113系统各大功能2131驱动系统21.3.2控制系统21.33执行机构314系统结构框图41.5PLC的建义41.6PLC的特点52 硬件电路设计62.1电气原理图62.1输出驱动单元62丄2输入检测单元72.1.3输入输出接口电路介绍72.1.4输入接口电路板72丄5输岀接口82.2 I/O分配表9221为PLC的输入输出编址93 软件设计103.1主流程图103.2复位子程序流程图113.3单步流程图123.4连续流程图134 程序调试144.1调试设备144.2遇到的问
3、题与解决方法155 心得体会16附录1参考文献17附录2程序清单18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山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(SIEME
4、NS)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
5、一接触器控制系统、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
6、械手的全部动作山液圧驱动。液压泵山电磁阀控制，其上升/ 下降、左移/右移运动山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/放松运动山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
7、机构运动的。它山动力装置、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。U前工业机械手的 控制系统一般山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
8、.3执行机构1）、手部即与物件接触的部件。山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。夹持式手部山手指（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
9、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山驱动手臂运 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
10、于机 座上，故起支撑和连接的作用。1.4系统结构框图测装置等所组成。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
11、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。1.6 PLC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，主要是山于它具有以下 特点：（1）可黑性高，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，更加可幕、安全；面 向工业环境设讣，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
12、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
13、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。山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。 左右摆动山齿轮组啮合实现减速传动；伸出与退回、上下移动山直流减速电机驱动 丝杠一螺母结构完成；机械手指的夹紧与张开山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.
14、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） o设计输入输出接口电路（如图2所示）的LI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输入输岀接口电路板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： 24V DC ；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。PLC ）入復块图2-3输入接口电路板
15、电气原理图215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。7 1 8 | I, I()网络3IISCRE)h|1J1J川主程序AWfc人运行人INT 0 /4网络12网络13I IC )网络15I0.4S0.4I SCRT)网络1GSCRE)网络17冋貉19101S0.5网络20SCRE)网络21网络23SCRE)网络25网络2710.6S0.7SCRT)网络31I0.2S0.0I ISCRT)网络32nSCRE)网络33网络28SCRE)网络29
