機械手臂課設(shè)說明書

1、課程設(shè)計說明書目錄1引言12 PLC的簡介22.1 PLC的產(chǎn)生22.2 PLC的定義和特點22.2.1 PLC的定義22.2.2 PLC的特點32.3可編程控制器的主要性能指標(biāo)32.4 PLC系統(tǒng)的組成42.4.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)42.4.2 PLC的軟件42.5 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域43方案設(shè)計63.1 主程序設(shè)計63.2 公用程序設(shè)計73.3 自動程序設(shè)計83.4 手動程序設(shè)計83.5 自動回原點程序設(shè)計94心得體會11參考文獻12附錄113附錄2161引言機械手是工業(yè)自動化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地

2、應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視?？傊瑱C械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段。國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展?？删幊绦蚩刂破?PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的實時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步，已經(jīng)成為工廠自動化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一1。 由于自動化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他

3、控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用PLC。機械手在美國、加拿大等國家應(yīng)用較多，如用果實采摘機械手來摘果實、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機器人等。我國自動化水平本身比較低，因此用PLC來控制的機械手還比較少。2 PLC的簡介2.1 PLC的產(chǎn)生 1968年美國通用汽車公司（GM）招標(biāo)要求:軟連接代替硬接線;維護方便;可靠性高于繼電器控制柜;體積小于繼電器控制柜;成本低于繼電器控制柜;有數(shù)據(jù)通訊功能;輸入115V;可在惡劣環(huán)境下工作;擴展時，原系統(tǒng)變更要少;用戶程序存儲容量可擴展到4K 。核心思想：用程序代替硬接線，輸入/輸出電平可與

4、外部裝置直接相聯(lián)，結(jié)構(gòu)易于擴展 ，這是PLC的雛形。 1969年美國DEC公司研制出世界上第一臺PLC（PDP-14），并在GM公司汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用成功 。2.2 PLC的定義和特點2.2.1 PLC的定義美國電氣協(xié)會制造商協(xié)會NEMA和國際電工委員會IEC對可編程控制器分別作了定義：可編程控制器是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關(guān)量邏輯控制為主的自動控制裝置。它具有存儲控制程序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入的開關(guān)量（或模擬量）進行邏輯運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等處理后，以開關(guān)量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。早期的可編程控制器，主要用于開關(guān)量邏輯控制，所以稱為可編程邏輯

5、控制器，簡稱PLC，后來隨著計算機計術(shù)不斷發(fā)展，其功能已不僅限于開關(guān)邏輯控制，所以被稱之為可編程控制器PC，但這很容易和個人計算機PC相混淆，因此，一般仍把PLC作為可編程控制器的簡稱。2.2.2 PLC的特點可編程控制器之所以能夠得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主要是由于它具有以下特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強 用軟件實現(xiàn)大量的開關(guān)量邏輯運算，克服了因繼電器觸點接觸不良而造成的故障；輸入采用直流低電壓，更加可靠、安全；面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和一般的計算機控制系統(tǒng)。(2) 編程簡單，易于掌握 PLC采用梯形圖方

6、式編寫程序，與繼電器控制邏輯的設(shè)計相似，具有直觀、簡單、容易掌握等優(yōu)點。（3）功能完善，靈活方便 隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能更加完善，不僅具有開關(guān)量邏輯控制功能和步進、計算功能，而且還具有模擬量處理、溫度控制、位置控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。既可以單機使用、也可聯(lián)網(wǎng)運行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在運行過程中，可隨時修改控制邏輯，增減系統(tǒng)的功能。（4）體積小、質(zhì)量輕、功耗低 由于采用了單片機等集成芯片，體積小、質(zhì)量輕、機構(gòu)經(jīng)湊、功耗低。2.3可編程控制器的主要性能指標(biāo) 可編程控制器的性能指標(biāo)有很多，主要有以下幾項指標(biāo)。（1）輸入/輸出點數(shù)(I/O) I/O點數(shù)是指可編程控制器

7、外部輸入、輸出端子數(shù)的總和。它標(biāo)志著可以接多少個開關(guān)按鈕和可以控制多少個負(fù)載。（2）存儲容量 存儲容量是指可編程控制器內(nèi)部用于存放用戶程序的存儲容量。（3）掃描速度 一般以執(zhí)行1000步指令所需的時間來衡量，單位為ms/千步，也有以執(zhí)行一步指令所需來計算，單位us/步。（4）功能擴展能力 可編程控制器除了主模板塊之外，通常都可配備一些可擴展模塊，以適應(yīng)各種特殊功能應(yīng)用的需要。如A/D模塊、D/A模塊、位置控制模塊等。（5）指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是指一臺可編程控制器指令的總和，它是衡量可編程控制器功能強弱的主要指標(biāo)。2.4 PLC系統(tǒng)的組成PLC是一種以微處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其硬件結(jié)

8、構(gòu)上與微型計算機控制系統(tǒng)相似，也是有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。2.4.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)一套PLC系統(tǒng)在硬件上由以下幾部分組成：（1） 中央處理器(CPU) 與計算機一樣，是PLC的核心部件。（2） 存儲器 PLC配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。（3） 輸入/輸出（I/O）接口電路。（4） 電源。（5） 擴展單元。（6） 外部設(shè)備。2.4.2 PLC的軟件 PLC的軟件是指PLC所使用的各種程序的集合。它由系統(tǒng)程序（系統(tǒng)軟件）和用戶程序（用戶軟件）組成。（1）系統(tǒng)程序 系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序，輸入譯碼程序及診斷程序等。（2）用戶程序 用戶程序是用戶根據(jù)控制要求，用PLC的編程語言

9、（如梯形圖）編制的應(yīng)用程序。2.5 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 1、開關(guān)量的邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 2、模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和

10、數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3、運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 4、過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系

11、統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 5、數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 6、通信及聯(lián)網(wǎng)

12、PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3方案設(shè)計3.1 主程序設(shè)計主程序是整個程序的開始，系統(tǒng)讀取的時候一定從主程序開始，至于之后需執(zhí)行哪個子程序，都在主程序中體現(xiàn)。SM0.0的常開觸點一直閉合，鏈接公用程序，公用程序是無條件執(zhí)行的；在手動控制方式中，I2.0為ON時，其常開觸點閉合，執(zhí)行“手動”子程序；在回原點控制方式中，I2.1為ON時，其常開觸點閉合，執(zhí)行“回原點”子程序；在單步、單周期和連續(xù)控制方式中，I2.2

13、、I2.3、I2.4并聯(lián)，其中任何一個為ON時，執(zhí)行“自動”子程序。主程序下圖：圖1 主程序3.2 公用程序設(shè)計公用程序用于處理各種工作方式都要執(zhí)行的任務(wù)，以及不同的工作方式之間相互切換的處理。左限位開關(guān)I0.4、上限位開關(guān)I0.2的常開觸點和表示機械手松開的Q0.1的常閉觸點串聯(lián)接通時，“原點條件”M0.5變?yōu)镺N，機械手處于原點狀態(tài)，在開始執(zhí)行用戶程序、系統(tǒng)處于手動或自動回原點狀態(tài)時，初始步對應(yīng)的M0.0將被置位，為進入單步、單周期和連續(xù)工作方式作好準(zhǔn)備。若M0.5為OFF狀態(tài)，M0.0被復(fù)位，初始步為不活動步，按下啟動按鈕也不能進入步M2.0，系統(tǒng)不能在單步、單周期和連續(xù)工作方式下工作。

14、當(dāng)系統(tǒng)處于手動工作方式和回原點方式時，必須將單步、單周期以及連續(xù)工作方式程序中，除初始步以外的各步對應(yīng)的存儲器位（M2.0M2.7）復(fù)位，否則當(dāng)系統(tǒng)從自動工作方式切換到手動工作方式，然后又返回自動工作方式時，可能會出現(xiàn)同時有兩個活動部的異常情況，引起錯誤的動作。如果不是回原點方式，I2.1的常閉觸點閉合，代表回原點中的各步M1.0M1.5復(fù)位。在非連續(xù)方式，I2.4的常閉觸點閉合，表示連續(xù)工作狀態(tài)的標(biāo)志M0.7復(fù)位。公共程序如下：圖2 公共程序3.3 自動程序設(shè)計自動程序（包括單步、單周期和連續(xù)）采用起保停電路控制。單周期、連續(xù)和單步工作方式主要用“連續(xù)”標(biāo)志M0.7和“轉(zhuǎn)換允許”標(biāo)志M0.6

15、來區(qū)分，M0.0表示初始步，M2.0M2.7分別表示下降、夾緊、上升、右行、下降，松開、上升、左行標(biāo)志。當(dāng)系統(tǒng)處于單步工作狀態(tài)時，I2.2常閉觸點斷開，只有在每按下一次啟動按鈕I2.6，M0.6才能得電一個掃描周期，程序執(zhí)行一步，以此來實現(xiàn)單步執(zhí)行，此時轉(zhuǎn)換不允許。當(dāng)系統(tǒng)處于連續(xù)工作狀態(tài)時，M0.6始終得電，按下啟動按鈕I2.6后同時未按停止按鈕I2.7之前，“連續(xù)”標(biāo)志M0.7始終得電，系統(tǒng)首先通過M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得電，進而開始程序執(zhí)行，由于M0.7始終得電，其常閉觸點斷開，使得程序執(zhí)行完一個周期后不在進入初始步M0.0，而是直接進入M2.0，開始了下一個周期的執(zhí)行，以

16、此來實現(xiàn)連續(xù)執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)處于單周期工作狀態(tài)時，M0.7不得電，M0.6得電，按下啟動按鈕I2.6后系統(tǒng)也是首先通過M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得電，進而開始程序執(zhí)行，由于M0.7不得電，其常閉觸點閉合，當(dāng)程序執(zhí)行完一個周期后，返回初始步M0.0，此時程序再要執(zhí)行必須重新按下啟動按鈕I2.6，以此來實現(xiàn)單周期執(zhí)行。3.4 手動程序設(shè)計在手動程序中，為了保證系統(tǒng)安全運行，設(shè)置了上升與下降之間、左行與右行之間的互鎖，防止功能相反的兩個輸出同時為ON；限位開關(guān)I1.2的常開觸點閉合使得輸出Q0.1置位得電，表示工件已夾緊；當(dāng)左限位開關(guān)或右限位開關(guān)的常開觸點閉合同時限位開關(guān)I0.7常開觸點閉合

17、時，輸出Q0.1復(fù)位失電，表示工件已松開；I0.1I0.4的常閉觸點，限制機械手移動的范圍；上限位開關(guān)I0.2的常開觸點與控制左右行的Q0.4和Q0.3的線圈串聯(lián)，機械手升到最高位置才能左右移動，以防止機械手在較低位置運行時與別的物體碰撞；只允許機械手在最左邊或最右邊時上升、下降和松開工件。3.5 自動回原點程序設(shè)計自動回原點程序用起保停電路設(shè)計。在此工作方式下，I2.1為ON，按下啟動按鈕I2.6后，機械手可能處于三種情況下，應(yīng)分別處理。Q0.1為0狀態(tài)，即機械手處于松開狀態(tài)，應(yīng)直接返回原點應(yīng)進入上升步M1.4或左行步M1.5；若Q0.1為1狀態(tài)同時機械手在最右邊此時說明應(yīng)執(zhí)行下降步M1.2

18、,；若Q0.1為1狀態(tài)同時機械手不在最右邊，應(yīng)將工件先送到B點，再返回原點，進入步M1.0。返回原點后，原點條件滿足，公用程序中的原點條件標(biāo)志M0.5為ON，此時I2.1為ON，M0.0在公用程序中置位，為進入自動工作方式作好準(zhǔn)備。因此可以認(rèn)為自動程序中的初始步M0.0是步M1.5的后續(xù)步。如下圖：圖3返回原點梯形圖4心得體會本課設(shè)在老師嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計和調(diào)試，無不凝聚著他的心血和汗水，在這一周期間，也始終感受著同學(xué)之間的團結(jié)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此表示深深的感謝。不積跬步何以至千里，本設(shè)計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)。是我了解到