氣動機械手PLC控制系統設計_畢業(yè)論文(2).doc

商丘工學院畢 業(yè) 設 計 論 文機械手PLC控制系統設計曹獻偉 指導老師姓名： 高善坤專 業(yè) 名 稱 ： 機電一體化班 級 ： 機電4班學 號 ：42090504352011年12月10號 【摘要】: 在工業(yè)生產和其他領域內，由于工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，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。PLC機械手設計主要是依靠限位開關和電磁閥的控制及推動來實現的。機械手的所有動作均采用電控制、氣壓驅動。它的上升/下降、左移/右移和左旋轉/右旋轉均采用雙線圈雙位電磁閥推動氣壓缸完成。機械手的動作轉換依靠限位開關來控制并且按照一定的順序動作。在機械手運動的過程中會安裝檢測燈來檢測其運動的啟停。本設計所用機械部件有模擬機械手爪，電氣方面有可編程控制器（PLC）、開關電源、電磁閥、等部件。按鈕發(fā)出兩路脈沖到機械手驅動，控制它的前后移動由氣動閥Y4控制，左右移動由氣動閥Y5控制，左右旋轉由氣動閥Y6控制，夾緊和放松由氣動閥Y7控制，另外還有啟動和停止兩個按鈕。機械手自動完成全部動作。【關鍵詞】: 電磁閥 限位開關 繼電器 機械手I 目 錄19 畢業(yè)設計論文 氣動機械手PLC控制系統設計緒 論隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機械手的出現大大減輕了工人的勞動強度，提高了勞動生產率，但傳統的繼電器控制的半自動化裝置因設計復雜、接線繁雜、易受干擾，從而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題，為解決以上問題，可以采用可編程序控制器械手控制系統機械手在專用及自動生產線上應用的十分廣泛，主要用于搬動或卸零件的重復動作，以實現生產自動化.電磁閥控制氣動閥的開關來控制機械手手爪的張合，從而實現機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數。 本設計中的機械手采用關節(jié)式結構。各動作由氣壓驅動，并由電磁閥控制。動作順序及各動作時間的間隔采用按時間原則。該機械手的動作過程如下：當按下啟動按鈕時，機械手從原點開始前進，前進到底時，碰到前限位開關，前進停止。同時接通定時器，機械手開始上升工件，定時結束，上升完成。機械手左旋，左旋到頂時，碰到左限位開關，左旋停止。機械手夾緊，夾緊碰到夾緊限位開關時，夾緊停止。機械手下降，下降到底，碰到下限位開關時，下降停止。同時接通定時器，機械手放松工件，定時結束，工件已松開。機械手后退，后退到頂碰到后退限位開關時，后退停止。于是機械手動作的一個周期結束。畢業(yè)設計論文 氣動機械手PLC控制系統設計第一章 PLC的介紹1.1 PLC概述1.1.1 可編程控制器的產生和發(fā)展傳統的繼電器-接觸器控制系統，由繼電器、接觸器和各種開關按一定的邏輯關系用線連接而成。要改變控制邏輯，需要重新布線、連接，甚至要增減元器件，由于接線多，非常費時費力。因此只適用于工作模式固定、控制邏輯簡單、大批量生產的制造設備和一些自動化程度較低的制造設備。20世紀30年代出現了電子管順序邏輯控制器，解決了因繼電器等開關觸點通斷延時太長而引起的不穩(wěn)定問題；20世紀50年代半導體二極管、三極管邏輯控制電路取代了電子管控制器，解決了電子管熱絲大功率耗能問題；20世紀60年代中小規(guī)模集成電路的出現大大減少了邏輯控制器連接點數量，降低了故障率。20世紀60年代末，隨著大規(guī)模集成電路技術、計算機技術、自動控制理論的發(fā)展，以及汽車制造業(yè)日益激烈的競爭對生產線具有柔性的要求，美國通用汽車公司首先提出了將繼電器接觸器控制的簡單易懂、使用方便、價格低廉的優(yōu)點，與計算機的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結合起來，將繼電器接觸器控制的硬件連線邏輯轉變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設想。1969年美國數字設備公司（DEC）根據上述設想，研制開發(fā)出世界上第一臺可編程邏輯控制器。20世紀80年代超大規(guī)模集成電路的出現，產生了CPU、單板計算機、單片計算機，可編程邏輯控制器具有了通用性、易用性和易學性，PLC得到進一步發(fā)展，不僅具有繼電器的邏輯控制特性，也具有了連續(xù)控制的特性，PLC也因此更名為可編程控制器。1985年1月國際電工委員會（IEC）對可編程控制器定義如下：“可編程控制器是一種數字運算電子系統，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字或模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統連成一個整體，易于擴充的原則設計?！?.2 PLC的主要功能 1.2.1 PLC基本組成 現場控制或檢測元件輸入給PLC各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量等，通過輸入接口電路將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器等被控設備的執(zhí)行元件。1) 輸入接口 輸入接口用于接收和采集兩種類型的輸入信號，一類是由按鈕、轉換開關、行程開關、繼電器觸頭等開關量輸入信號；另一類是由電位器、測速發(fā)電機和各種變換器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號。2) 輸出接口輸出接口電路向被控對象的各種執(zhí)行元件輸出控制信號。常用執(zhí)行元件有接觸器、電磁閥、調節(jié)閥(模擬量)、調速裝置(模擬量)、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等。輸出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成，與輸入接口電路類似，內部電路與輸出接口電路之間采用光電耦合器進行抗干擾電隔離。微電腦輸出接口電路一般由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路集成在芯片上，CPU通過數據總線將輸出信號送到輸出數據寄存器中，功率放大電路是為了適應工業(yè)控制要求，將微電腦的輸出信號放大。 3) 其它接口若主機單元的I/O數量不夠用，可通過I/O擴展接口電纜與I/O擴展單元(不帶CPU)相接進行擴充。PLC還常配置連接各種外圍設備的接口，可通過電纜實現串行通信、EPROM寫入等功能。4) 編程器編程器作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示PLC狀態(tài)、內部器件及系統的參數等。編程器有簡易編程器和圖形編程器兩種。簡易編程器體積小，攜帶方便，但只能用語句形式進行聯機編程，適合小型PLC的編程及現場調試。圖形編程器既可用語句形式編程，又可用梯形圖編程，同時還能進行脫機編程。目前PLC制造廠家大都開發(fā)了計算機輔助PLC編程支持軟件，當個人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和PLC之間的通信接口實現用戶程序的雙向傳送、監(jiān)控PLC運行狀態(tài)等。5) 電源PLC的電源將外部供給的交流電轉換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的開關穩(wěn)壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。1.2.2 PLC的特點1) 可靠性高,抗干擾能力強由PLC的定義可知道，它是專門為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的，因此在設計OLC時從硬件和軟件上都采取了抗干擾的措施，提高了其可靠性。硬件措施：屏蔽、濾波、隔離、采用模塊式結構軟件措施：故障檢測、信息保護和恢復、設置了警戒時鐘WDT、對程序進行檢查和檢驗2) 通用性強，使用方便用戶在進行控制系統的設計時，不需要自己設計和制作硬件裝置，只需根據控制要求進行模塊的配置。對于一個控制系統，當控制要求改變時，只需修改程序，就能變更控制功能。3) 采用模塊化結構，使系統組合靈活方便PLC的各個部件，均采用模塊化設計，各模塊之間可由機架和電纜連接。系統的功能和模塊可根據用戶的實際需求自行組合，使系統的性能價格更容易趨于合理。4) 編程語言簡單，易學，便于掌握PLC的主要使用對象是廣大的電氣技術人員，所以為了便于工程技術人員方便學習和掌握PLC的編程，采用了與繼電器接觸器控制原理相似的梯形圖語言，易學易懂。5) 系統設計周期短由于系統硬件的設計任務僅僅是根據對象的控制要求配制適當的模塊，而不要去設計具體的接口電路，這樣大大縮短了整個設計所花費的時間，加快了整個工程的進度。6) 安裝簡單,調試方便,維護工作量小PLC控制系統的安裝接線比繼電器接觸器控制系統少的多，只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O端相連。PLC軟件設計和調試可在實驗室進行，用模擬實驗開關代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可以觀察PLC上的發(fā)光二極管，也可以另接輸出實驗板。模擬調試好后，再將PLC控制系統安裝到現場，進行連機調試，這樣既省時間又很方便。由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自診斷能力，一旦發(fā)生故障，可以根據報警信息，迅速查明原因。如果是PLC本身，則可用更換模塊的方法排除鼓掌。這樣提高了維護的工作效率，保證了生產的正常進行。畢業(yè)設計論文 氣動機械手PLC控制系統設計第二章 PLC機械手的介紹2.1 PLC機械手的原理2.1.1 PLC機械手的原理及流程圖1機械手在原始位置時（右旋到位）動作，按下啟動按鈕，機械手臂開始上升，機械手放松，機械手開始前進。2機械手上升到上限位置，狀態(tài)開關動作，上升動作結束，機械手開始左旋。3機械手左旋到左限位置，狀態(tài)開關動作，左旋動作結束，機械手開始抓緊。4機械手抓緊到抓緊位置，狀態(tài)開關動作，抓緊動作結束，機械手開始右旋。5機械手開始右旋，狀態(tài)開關動作，抓緊動作結束，機械手開始下降。6機械手下升到下降位置，狀態(tài)開關動作，下降動作結束，機械手開始后退。7機械手右旋到右限位置，狀態(tài)開關動作，右旋動作結束，機械手開始下降。8機械手后退到后退位置，機械手開始放松，一個工作循環(huán)過程完畢。9機械手的工作方式為：單步。機械手的動作順序如下：機械手初始位置是后退、下降、逆時針旋轉均到底部，機械手成放松狀態(tài)。當按下啟動按鈕后，機械手開始前進，前進到底碰到限位開關，前進動作停止，機械手開始上升，上升到頂端，碰到限位開關，上升動作停止，機械手開始執(zhí)行順時針旋轉動作，順時針旋轉到底，碰到限位開關，旋轉動作停止，機械手開始執(zhí)行夾緊動作，碰到限位開關，夾緊動作停止，機械手開始執(zhí)行逆時針旋轉，逆時針旋轉到底，碰到限位開關，逆時針旋轉動作停止，機械手開始下降，下降到底部時，碰到限位開關，下降動作停止，機械手執(zhí)行后退動作，碰到限位開關，后退停止，機械手放松，此時回到初始位置， 一個周期動作完成。根據機械手的動作順序，可以畫出如圖2.1所示的流程圖：上升原位前進下降后退順時針旋轉放松夾緊逆時針旋轉X5X10X6X3X1X0X4X2X7圖2.1 機械手控制系統流程圖2.2 電路中主要元器件的介紹2.2.1 電磁繼電器的原理及應用繼電器的工作原理和特性：繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。電磁繼電器的工作原理和特性：電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。2.2.2 電磁閥的工作原理及應用 電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設備，用在工業(yè)控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節(jié)閥等。電磁閥是用電磁的效應進行控制，主要的控制方式由繼電器控制。這樣，電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。所謂氣動系統，就是以氣體為介質的控制系統。氣動系統中，這種能源的介質通常就是空氣。在真正使用的時候，通常把大氣中的空氣的體積加以壓縮，從而提高它的壓力。壓縮空氣主要通過作用于活塞或葉片來作功。 氣動系統中，電磁閥的作用就是在控制系統中按照控制的要求來調整壓縮空氣的各種狀態(tài)，氣動系統還需要其他元件的配合，其中包括動力元件、執(zhí)行元件、開關、顯示設備及其它輔助設備。動力元件包括各種壓縮機，執(zhí)行元件包括各種氣缸。這些都是氣動系統中不可缺少的部分。而閥體是控制算法得以實現的重要設備。2.2.3 接近開關工作原理及應用接近開關是一種毋需與運動部件進行機械接觸而可以操作的位置開關，當物體接近開關的感應面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關動作，從而驅動交流或直流電器或給計算機裝置提供控制指令。接近開關是種開關型傳感器（即無無觸點開關），它即有行程開關、微動開關的特性，同時具有傳感性能，且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應快，應用壽命長，抗干擾能力強等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點。接近開關又稱無觸點接近開關，是理想的電子開關量傳感器。當金屬檢測體接近開關的感應區(qū)域，開關就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發(fā)出電氣指令，準確反應出運動機構的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調整的方便性和對惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機械式行程開關所不能相比的。它廣泛地應用于機床、冶金、化工、輕紡和印刷等行業(yè)。在自動控制系統中可作為限位、計數、定位控制和自動保護環(huán)節(jié)。接近開關具有使用壽命長、工作可靠、重復定位精度高、無機械磨損、無火花、無噪音、抗振能力強等特點。因此到目前為止，接近開關的應用范圍日益廣泛，其自身的發(fā)展和創(chuàng)新的速度也是極其迅速。 接近開關的主要作用是檢測距離：檢測電梯、升降設備的停止、起動、通過位置；檢測車輛的位置，防止兩物體相撞檢測；檢測工作機械的設定位置，移動機器或部件的極限位置；檢測回轉體的停止位置，閥門的開或關位置；檢測氣缸或液壓缸內的活塞移動位置。畢業(yè)設計論文 氣動機械手PLC控制系統設計第三章 應用PLC設計機械手的步驟3.1 輸入輸出點分配表為了將機械手的控制關系用PLC控制器實現，PLC需要10個輸入點（啟動按鈕、停止按鈕和八個控制開關），4個輸出點。為了使用方便，所以選擇了FX2N-64MT型的PLC。輸入輸出器件代號地址表功能說明器件代號地址表功能說明開關10啟動按鈕SQ11手臂前進移動氣缸開關YV4Y4手臂左移SQ22手臂后退移動氣缸開關手臂右移SQ33手臂向下移動氣缸開關YV5Y5手臂上升SQ44手臂向上移動氣缸開關手臂下降SQ55手臂順時針旋轉氣缸開關YV6Y6逆時針旋轉SQ66手臂逆時針旋轉氣缸開關順時針旋轉SQ77機械手放松氣缸開關YV7Y7夾緊SQ810機械手夾緊氣缸開關放松開關211停止按鈕表3.1 輸入輸出點分配表3.2 機械手的接線圖根據PLC機械手的輸入輸出點分配表，畫出如圖3.1所示的PLC控制系統I/O接線圖。X1 Y4X2 X3 Y5X4X5 Y6X6X7 Y7X10X0 COM1 X11 COM224VKA4KA5KA6KA7PLC前進后退上升下降左旋右旋加緊放松啟動停止圖3.1 PLC控制系統I/O接線圖根據PLC機械手的實際連線，畫出如圖3.2所示的PLC機械手的接線圖。 電磁閥KA2KA1+24V圖3.2 十字路口交通燈的接線圖3.3 PLC機械手的程序設計3.3.1 PLC機械手的梯形圖語言根據PLC機械手的控制關系畫出如圖3.3所示的PLC機械手的梯形圖。圖3.3 PLC機械手的梯形圖3.3.2 PLC機械手指令表語言0LD X001 ；后退限位1AND X003 ；下限位2AND X006 ；逆時針旋轉限位3AND X007 ；放松狀態(tài)4OUT M105LDI M16ANI M27ANI M38ANI M49ANI M510ANI M611ANI M712ANI M813OUT M1114LD M1115AND M1016OR M817OUT M0 ；初始化18LD M019AND X00020LD M121AND T0 ；啟動22ORB23LD M224AND X002 ；前進限位行程開關25AND T126ORB 27LD M328AND X004 ；上限位行程開關29AND T230ORB31LD M432AND X005 ；順時針旋轉行程開關33AND T334ORB35LD M536AND X010 ；夾緊行程開關37AND T438ORB39LD M640AND X006 ；逆時針旋轉行程開關41AND T542ORB43LDM744AND X003 ；下限位行程開關45AND T646ORB47LD M848AND X007 ；放松行程開關49AND T750ORB51OR T7 ；循環(huán)52 SFTL M0 M1 K8 K1 ；移位 K8指定bit元件長指定移位bit數61LD M162SET Y004 ；前進63OUT T0 K50 ；計時5秒66LD M267SET Y005 ；上升68OUT T1 K50 ；計時5秒71LD M372SET Y006 ；順時針旋轉73 OUT T2 K50 ；計時5秒76LDM4 77SET Y007 ；夾緊78OUT T3 K50 ；計時5秒81LD M5 82RST Y006 ；逆時針旋轉83OUT T4 K50 ；計時5秒86LD M687RST Y005 ；下降88OUT T5 K50 ；計時5秒91LD M7 92RST Y004 ；后退93OUT T3 K50 ；計時5秒96 LD M8 97 RST Y007 ；放松98OUT T4 K50 ；計時5秒101LD X011102ZRST M0 M8107ZRST Y004 Y007112END第四章 PLC機械手的程序調試4.1 控制系統的程序調試步驟1） 對于比較復雜的控制系統，需要繪制系統流程圖，用以清楚的表明動作的順序和條件。2） 設計梯形圖。這是程序設計的關鍵一步，也是比較困難的一步。要設計好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時還要有一定的電氣設計的實踐經驗。3） 將程序輸入到PLC的用戶存儲器，并查找程序是否正確。4） 對程序進行調試和修改，直到滿足要求為止。4.2 調試過程中要注意的事項1）數據線與計算機的接口必須要與軟件的端口設置保持匹配，否則運行會產生通信錯誤的問題。本設計中采用的是COM4端口。2）連接PLC上的輸入輸出端口對應的動作必須與程序中的輸入輸出點的定義保動作持一致，本設計中輸入端口X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10分別定義為前進、后退、下移、上移、順時針旋轉、逆時針旋轉、放松、夾緊的動作，X0為啟動按鈕，X11為停止按鈕。輸出端Y4、Y5、Y6、Y7分別代表機械手左/右移、上/下移、順時針/逆時針旋轉、夾/放物的動作。3）連接PLC時，要清楚PLC的供電電壓是多少伏，如果實際電壓小于供電電壓則不能運行，PLC上的Power燈就不會亮；如果實際電壓大于供電電壓，則PLC有可能會被燒壞。4）端口接線一定要牢固。5）切記上電時一定要注意安全。畢業(yè)設計論文 氣動機械手PLC控制系統設計結 論畢業(yè)設計是考驗我們大學這幾年來的所學，它要求我們將大學這幾年來所學到的知識能夠融會貫通、熟練應用，并要求我能夠理論聯系實際，培養(yǎng)我們的綜合運用能力以及解決實際問題的能力。剛接到課題的時候，我們是一頭霧水，不知道該如何下手。后來通過徐老師的講解，是我們對這個課題有了一個大體的理解。接下來我們就開始畫原理圖，原理圖畫出來、正確之后，我們就開始對硬件進行連接。之后，就開始跑線路，走一遍路線可以幫助我們更好的理解，為下面的軟件設計提供鋪墊。硬件的設計完成之后，就開始我們的軟件設計了，選擇PLC的型號，選擇輸入輸出設備等等，其中最主要的還是編程。在PLC型號的選擇上，我們選擇了三菱公司的FX2N系列的PLC，這一系列的PLC具有很大的優(yōu)點，它可以通過梯形圖、指令表及順序功能圖來編寫PLC程序，建立注釋數據及設置寄存器數據等。創(chuàng)建的程序可在串行系統中與PLC進行通信、文件傳送、操作監(jiān)控以及完成各種測試功能。也可以將其存儲為文件，并用打印機打印輸出。基于這些優(yōu)點，所以我們選用了FX2N系列的PLC。在下面的程序編程中，我們遇到了很大的困難，因為里面涉及到電磁閥的控制，所以對于這一部分的稱序搞不懂，后來在老師的幫助下，才知道在這里不需要用程序來控制電磁閥。開始是我們自己編寫程序，然后去調試，通過模擬調試發(fā)現了很多問題，根本就達不到要求，但是我們沒有放棄，之后又經過了