搬運機械手電氣控制系統(tǒng)設計

1、PLC課程設計姓 名 學 號 年級專業(yè) 所在院系 電氣工程與自動化學院 指導教師 劉美俊、張哲銘 提交日期 廈門理工學院課程設計任務書課程名稱 電氣控制與PLC 課題名稱 搬運機械手電氣控制系統(tǒng)設計 專業(yè)班級 姓 名 學 號 指導教師 劉美俊、張哲銘 任務書下達日期201 年 月 日課程設計完成日期201 年 月 日設計內容與要求一. 課程設計的性質與目的 本課程設計是自動化專業(yè)教學計劃中不可缺少的一個綜合性教學環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)理論與實踐相結合的重要手段。它的主要目的是培養(yǎng)學生綜合運用本課程所學知識和技能去分析和解決本課程范圍內的一般工程技術問題，建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序和方法。

2、通過課程設計使學生得到工程知識和工程技能的綜合訓練，獲得應用本課程的知識和技術去解決工程實際問題的能力。 二. 課程設計的內容 1.根據控制對象的用途、基本結構、運動形式、工藝過程、工作環(huán)境和控制要求，確定控制方案。2.繪制搬運機械手控制系統(tǒng)的PLC I/O接線圖和梯形圖，寫出指令程序清單。 3.選擇電器元件，列出電器元件明細表。 4.上機調試程序。5.編寫設計說明書。 三. 課程設計的要求 1.所選控制方案應合理，所設計的控制系統(tǒng)應能夠滿足控制對象的工藝要求，并且技術先進，安全可靠，操作方便。 2.所繪制的設計圖紙符合國家標準局頒布的GB472884電氣圖用圖形符號、GB698887電氣制圖

3、和GB715987電氣技術中的文字符號制定通則的有關規(guī)定。 3.所編寫的設計說明書應語句通順，用詞準確，層次清楚，條理分明，重點突出，篇幅不少于7000字。主要設計條件1.PLC實驗設備若干。2.參考文獻若干。設計說明書裝訂順序1.課程設計說明書封面。2.課程設計任務書。3.說明書目錄。4.正文（按設計內容逐項書寫）。5.參考文獻。6.附錄。7.課程設計評分表。設計進度安排1.2015年7月6日上午：課題內容介紹。2.2015年7月6日下午：仔細閱讀設計任務書，明確設計任務與要求，收集設計資料，準備設計工具。3.2015年7月6日2015年7月10日：確定控制方案。繪制搬運機械手電氣控制系統(tǒng)的

4、PLC I/O接線圖和梯形圖，寫出指令程序清單。設計控制系統(tǒng)的工藝圖紙。選擇電器元件，列出電器元件明細表。4.2015年7月9日：上機調試程序。5.2015年7月10日：答辯。參考文獻1廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應用M.重慶：重慶大學出版社 20122萬太福.可編程序控制器及其應用M. 重慶：重慶大學出版社 20123劉美俊.電氣控制與PLC工應用.北京：機械工業(yè)出版社 20144謝桂林.電力拖動與控制. 北京：中國礦業(yè)大學出版社5工廠常用電氣設備手冊編寫組.工廠常用電氣設備手冊. 北京：水利電力出版社電氣控制與PLC課程設計指導小組 201年月日目 錄前言 2第1章 概述 31.

5、1 PLC簡介31.2 機械手概述41.3 搬運機械手的應用簡況 41.4 機械手的應用意義 51.5 機械手控制系統(tǒng)設計步驟 6 第2章 控制方案7 2.1 搬運機械手的設計原理 72.2 PLC的選取 8第3章 控制系統(tǒng)硬件電路設計113.1 傳送帶A,B主電路圖及傳送帶B的控制電路圖113.2 PLC接口電路圖12第4章 控制系統(tǒng)軟件設計154.1 控制系統(tǒng)的軟件設計原理154.2 梯形圖和指令表18第5章 控制系統(tǒng)調試26 5.1 控制系統(tǒng)的調試過程26總結27前言 用于再現(xiàn)人手的的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的

6、自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、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。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。機

7、械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，它有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作

8、。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。第一章 概述1.1 PLC簡介隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展， 其功能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計算機有效結合，可進行模擬量控制，具有遠程通信功能等。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（即 PLC， 機器人， CAD/CAM） 之一。 目前可編程序控制器 （Programmable

9、Controller） 簡稱 PLC 已廣泛應用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等領域，為工業(yè)自動化提供了有力的工具。PLC的基本結構 PLC 采用了典型的計算機結構，主要包括 CPU、RAM、ROM 和輸入/輸出接口電路等。如果把 PLC 看作一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量-PLC-輸出變量組成， 外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的信號均作為 PLC 的輸入變量，它們經 PLC 外部端子輸入到內部寄存器中，經 PLC 內部邏輯運算或其它各種運 算、處理后送到輸出端子，它們是 PLC 的輸出變量，由這些輸出變量對外圍設 備進行各種控制?？刂品椒把芯?1、FP1 的特殊功能簡介 、 (1) 脈沖輸

10、出 FP1 的輸出端 Y7 可輸出脈沖，脈沖頻率可通過軟件編程進行調節(jié)，其輸出頻 率范圍為 360Hz5kHz。 (2) 高速計數器（HSC） FP1 內部有高速計數器，可同時輸入兩路脈沖，最高計數頻率為 10kHz，計數 范圍-8388608+8388607。 (3) 輸入延時濾波 FP1 的輸入端采用輸入延時濾波，可防止因開關機械抖動帶來的不可靠性， 其延時時間可根據需要進行調節(jié)，調節(jié)范圍為 1ms128ms。 (4) 中斷功能 FP1 的中斷有兩種類型，一種是外部硬中斷，一種是內部定時中斷。1.2 機械手概述機械手在自動化車間中用來運送物料,從事焊接、噴漆、裝配等工藝操作，可將操作工人從

11、繁重、單調、重復的體力勞動中解放出來。特別是在高溫、危險、有害的作業(yè)環(huán)境（放射性、有毒氣體、粉塵、易燃、易爆、強噪聲等）中，可用機械手代替人的部分操作。目前，機械手已廣泛應用于鑄造、鍛造、沖壓、切削加工、噴漆、裝配等各種工藝過程中。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用, 機械手的運用越來越靈活。本文介紹一種采用PLC控制的機械手控制系統(tǒng)的設計。1.3 搬運機械手的應用簡況在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多

12、品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。國內外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面：1.熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高

13、工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。2.冷加工方面的應用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)接的重要于段。3.拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴

14、漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工業(yè)機械手已經成為工業(yè)生產中提高勞動生產率的重要因素。1.4機械手的應用意義在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如下：1.可以提高生產過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。2.可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用

15、人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產。綜上所述，有效地應用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.5 機械手控制系統(tǒng)設計步驟根據工藝要求確定被控系統(tǒng)必須

16、完成的動作,確定這些動作之間的關系及完成這些動作的順序。(2)分配輸入、輸出設備,即確定哪些外圍設備是送信號給PLC的,哪些外圍設備是接收來自PLC的信號的,同時還要將PLC的輸入、輸出點與之一一對應,對I/O進行分配。在此基礎上確定PLC的選型。(3)根據控制系統(tǒng)的控制要求和所選PLC的I/O點的情況及高功能模塊的情況,設計PLC用戶程序,此時可采用梯形田、助記符或流程圖語言形式的用戶程序。PLC的用戶程序體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關系,編程時可用編程器或計算機直接編程、修改,同時也可對PLC的工作狀態(tài)、特殊功能進行設定。(4)對所設計的PLC程序進行調試和修改,直至PLC

17、完全實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的控制功能。(5)保存已完成的程序。第二章 控制方案2.1 搬運機械手的設計原理圖1是搬運機械手工作示意圖。該機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。為使動作準確，安裝了限位開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。分別對機械手進行抓緊、左旋、右旋、上升、下降等行程的檢測，并給出動作到位的檢測信號。另外還安裝了光電開關SP。負責檢測傳送帶A上的物品是否到位。此外，還設置了起動按鈕SB1和停止按鈕SB2，分別用以啟動和停止機械手的動作。 圖1 搬運機械手工作示意圖傳送帶A、B由電動機M1、M2拖動，M1、M2分別由接觸器KM1、KM2控制，機械手的上、下、左、右、抓、

18、放等動作由液壓系統(tǒng)驅動，并分別由6個電磁閥YV1YV6來控制。傳送帶A運行下降左旋上升原位下降松開右旋上升抓緊機械手動作過程2.2 PLC的選取FX2N是三菱公司推出的高性能小型可編程控制器,FX系列PLC中應用最廣泛的產品,該系列PLC是1991年推出,因其具有較高的性能價格比,受到廣大用戶的青睞.FX2N系列PLC是采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構。特點: 1)可靠性高、抗干擾能力強PLC能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，PLC的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的F1系列PLC平均無故障時間間隔長達30萬h，這是一般微機所不能比擬的。2）. 控

19、制系統(tǒng)構成簡單、通用性強由于PLC是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變PLC的硬件設備，只需相應改變軟件程序。3）. 編程簡單、使用、維護方便4）. 組合方便、功能強、應用范圍廣PLC既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。因此，PLC應用范圍很廣。5）. 體積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約1.2KW。FX2N-48MR-D 基本單元 帶 24點輸入/24點繼電器輸出1、 型號；2、狀態(tài)指示燈；

20、3、模式轉換開關與通訊接口；4、PLC的電源端子與輸入端子；5、輸入指示燈；6、輸出指示燈；7、輸出端子PLC的i/o接口輸入由X00到X37輸出由Y00到Y27第三章 控制系統(tǒng)硬件電路設計3.1傳送帶A,B的主電路圖及傳送帶B的控制電路圖根據傳送帶A，B的運行要求設計其主電路圖如下：傳送帶A,B的主電路圖根據傳送帶B的運行要求設計其控制電路入下圖：傳送帶B的控制電路圖3.2 PLC接口電路機械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點之外，還要求有自動控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以由撥向開關開關來選擇表示。工作模式輸入繼電器輸出繼電器自動模式地址功能開關類型地址功能X0X1啟動開關停止開

21、關點動開關點動開關Y0手臂上升X1上限位開關撥向開關Y2手臂左旋X2左限位開關撥向開關Y1手臂下降X3下限位開關撥向開關Y6傳送帶AX4光電開關撥向開關Y4抓X5抓限位開關撥向開關Y3手臂右旋X6右限位開關撥向開關Y5放X10功能選擇開關，自動撥向開關手動模式X11功能選擇開關，手動撥向開關X14上升開關點動開關X15下降開關點動開關X16左旋開關點動開關X17右旋開關點動開關X20抓開關點動開關X21放開關點動開關X22傳送帶開關點動開關I/O接口表第4章 控制系統(tǒng)軟件設計4.1 控制系統(tǒng)軟件設計原理本控制系統(tǒng)是通過主程序控制，來實現(xiàn)機械手的上、下、左、右、抓、放等動作由液壓系統(tǒng)驅動，而且啟

22、動時，機械手按照步序圖的工步順序動作；停止時，機械手停止在現(xiàn)行工步上。重新啟動時機械手從停止前一瞬間的動作繼續(xù)進行；PC斷電時的要求與停止時的要求一致。 搬運機械手動作步序圖傳送帶B處于連續(xù)運行狀態(tài)，不用PC控制。 機械手和傳送帶A要求按照一定的順序動作，其步序圖如所示。啟動時，機械手按照步序圖的工步順序動作；停止時，機械手停止在現(xiàn)行工步上。重新啟動時機械手從停止前一瞬間的動作繼續(xù)進行；PC斷電時的要求與停止時的要求一致。M1M520M521M522M526M524M525M523Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6M8002X20X21X22X23X24X25X26手臂上升手臂下旋手臂左旋手臂右旋抓

23、放傳送手動模式功能圖M8002 M503M504M505M506X3X4X6X4X7X2X7M507X5X7M508X3X5M509T0X3X4X4X2M502M501X0Y0Y6Y0T0Y5Y2Y1Y4Y3Y1K50手臂上升手臂左旋手臂下降傳送帶A抓手臂上升手臂右旋手臂下降放M500自動模式功能圖4.2梯形圖和指令表梯形圖：為主控部分M0為自動操作機械手，M1為手動操作機械手。自動操作機械手梯形圖X0為啟動按鈕，X1為停止按鈕，X2到X7分別為限位開關，M1為互鎖。手動操作機械手梯形圖按鈕X14到X22分別控制機械手上，下，左，右，抓緊，放開和傳送帶A輸出部分梯形圖Y0代表機械手向上運動，Y1代表機械手向下運動， Y2代表機械手向左運動，Y3代表機械手向右運動，Y4代表機械手抓緊物體運動，Y5代表機械手放開物體運動，Y6代表傳送帶開始運作。指令表： 第5章 控制系統(tǒng)的調試5.1控制系統(tǒng)的調試過程首先用電腦在Gx Developer編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，檢查和修改完程序,無誤后將其下載到三菱FX2N-48MR-D中；接著按照設計的要