PLC課程設(shè)計(jì)--機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)

1、河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程名稱： ?PLC技術(shù)與工程應(yīng)用? 課題名稱： 機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系部名稱： 自動控制系 專業(yè)班級： 計(jì)控102班 姓 名： 劉 賓 學(xué) 號： 101413231 2012年 06月20日目 錄 HYPERLINK l _Toc6414 目錄11、 HYPERLINK l _Toc6414 引言4 HYPERLINK l _Toc19778 2、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc19778 6 HYPERLINK l _Toc1147 3、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l _Toc1147 4、上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l

2、 _Toc28479 5、 程序調(diào)試14 HYPERLINK l _Toc28926 5.1 調(diào)試設(shè)備14 HYPERLINK l _Toc14544 5.2 遇到的問題與解決方法14 HYPERLINK l _Toc157 6、心得體會15 HYPERLINK l _Toc30748 附錄1 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc30748 16 HYPERLINK l _Toc30748 附錄2 程序清單 PAGEREF _Toc30748 17引言在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步開展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等

3、等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成局部。機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的開展，并取

4、得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步開展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。隨著人類的開

5、展、文明的進(jìn)步，工業(yè)正不斷開展著，需要人們完成的工作量也不斷增大尤其是那種重復(fù)性大的工作，像傳運(yùn)貨物，涉及到危險性的工作也日趨增多，這就迫使人們研究開發(fā)一種新裝置，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作的一種裝置，而機(jī)械手正是這樣一種裝置：它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身平安，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。2、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)目的：學(xué)習(xí)PLC電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路；鍛煉實(shí)際應(yīng)用程序開發(fā)能力；提高電氣制圖、流程圖繪制及辦公文檔編輯能力。設(shè)計(jì)要求：1.根本要求：設(shè)置機(jī)械手

6、復(fù)位按鈕機(jī)械手每次的工件輸送過程，都應(yīng)該從初始位置開始。定義右轉(zhuǎn)到位、上行到位、退回到位及手指張開到位同時滿足時為機(jī)械手初始位置。開機(jī)運(yùn)行時，機(jī)械手應(yīng)該首先自動回到初始位置；假設(shè)遇到特殊情況，機(jī)械手停在非初始位置，按下復(fù)位按鈕即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。設(shè)置單步/連續(xù)切換開關(guān)在單步模式下按下啟動按鈕(假設(shè)機(jī)械手處于初始位置，那么開始運(yùn)行；否那么，按下復(fù)位鍵，使機(jī)械手復(fù)位)伸出下行手指夾緊上行左轉(zhuǎn)下行手指張開上行退回左行停止注：以上連貫動作實(shí)現(xiàn)時，某些動作(見上述動作字體加粗局部)可以同時進(jìn)行。在連續(xù)模式下按下啟動按鈕，上述動作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個工件的傳輸過程。連續(xù)模式下，按下停止按鈕，

7、待本次工件傳輸工作結(jié)束后，停止運(yùn)行。2.提高要求 編制四個驅(qū)動電機(jī)的保護(hù)程序。要求自動檢測電機(jī)是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。假設(shè)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)立即停止系統(tǒng)工作，并點(diǎn)亮故障報(bào)警燈；故障排除后，按下復(fù)位按鈕，故障報(bào)警燈熄滅；連續(xù)運(yùn)行模式下，統(tǒng)計(jì)傳輸工件的個數(shù)，存儲于PLC的V型數(shù)據(jù)區(qū)，以備組態(tài)監(jiān)控使用，也可用狀態(tài)表監(jiān)視其狀態(tài)變化。3. 高級要求利用上位機(jī)組態(tài)軟件組態(tài)監(jiān)控畫面，或利用觸摸屏組態(tài)監(jiān)控畫面，監(jiān)控機(jī)械手的生產(chǎn)過程。3、 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1 概述機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的自動化設(shè)備，它具有工件的自動取拿、移動和輸送功能。機(jī)械 構(gòu)控制涉及了PLC、傳感器、電機(jī)驅(qū)動等技術(shù)。機(jī)械手實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

8、該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)手臂的左右擺動、伸出與退回、上下移動、機(jī)械手指的夾緊與張開等四自由度動作。圖1. 機(jī)械手實(shí)驗(yàn)設(shè)備3.1.1 輸出驅(qū)動單元該設(shè)備四自由度動作由四臺直流電動機(jī)驅(qū)動，每臺電動機(jī)可進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。左右擺動由齒輪組嚙合實(shí)現(xiàn)減速傳動；伸出與退回、上下移動由直流減速電機(jī)驅(qū)動絲杠-螺母結(jié)構(gòu)完成；機(jī)械手指的夾緊與張開由直流減速電機(jī)驅(qū)動連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備共有8個動作，由控制器輸出信號驅(qū)動。3.1.2輸入檢測單元每個自由度運(yùn)行極限位置設(shè)置了兩個行程開關(guān)，用于判斷當(dāng)前動作是否到位。該設(shè)備共有8個行程開關(guān)作為控制器的輸入信號。3.1.3接口電路介紹機(jī)械手實(shí)驗(yàn)設(shè)備既是所謂控制對象，對于一般工業(yè)控制，其控制

9、核心使用可編程控制器(PLC)。設(shè)計(jì)輸入輸出接口電路 (如圖2所示) 的目的是為解決機(jī)械手設(shè)備輸出驅(qū)動單元、輸入檢測單元與PLC之間的信號接口問題。圖中上層電路板是驅(qū)動電路板，下層電路板左側(cè)是輸入接口電路板，右側(cè)是輸出接口電路板。圖2. 輸入輸出接口電路板3.1.4輸入接口電路板輸入接口電路板原理圖如圖3所示，其功能是將設(shè)備上行程開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電平信號(邏輯1：24V DC ；邏輯0：0V DC)。板上設(shè)有光電隔離電路，將內(nèi)外電源隔離，以保護(hù)設(shè)備平安。圖3. 輸入接口電路板電氣原理圖本設(shè)備8個輸入信號，對應(yīng)輸入接口電路板的8根輸入信號線。各信號線對應(yīng)的行程開關(guān)如表1所示。表1. 輸

10、入信號線與行程開關(guān)對應(yīng)關(guān)系表輸入信號線序號(自左到右)對應(yīng)行程開關(guān)備 注1左轉(zhuǎn)到位2右轉(zhuǎn)到位3退回到位4伸出到位5上移到位6下移到位7手指張開到位8手指夾緊到位3.1.5 輸出接口輸出接口(如圖4所示)由兩塊電路板構(gòu)成：驅(qū)動電路板和輸出接口電路板。它們的功能是將PLC輸出的控制信號用于驅(qū)動繼電器動作，從而控制電動機(jī)正向或反向運(yùn)行。輸出接口電路板上也設(shè)有光電隔離電路，可將內(nèi)外電源隔離。左圖為驅(qū)動電路板電氣原理圖，繼電器A吸合、B釋放，對應(yīng)的電機(jī)正轉(zhuǎn)；繼電器A釋放、B吸合，對應(yīng)的電機(jī)反轉(zhuǎn)；繼電器A、B同時釋放，電機(jī)停止運(yùn)行；不允許二者都吸合。右圖為輸出接口電路板電氣原理圖，當(dāng)PLC輸出的某路控制信

11、號有效時，對應(yīng)的輸出信號有效，從而可以使得對應(yīng)的繼電器吸合。圖4. 輸出接口電路電氣原理圖(左圖為驅(qū)動電路板，右圖為輸出接口電路板)本設(shè)備有8個輸出控制信號，對應(yīng)輸出接口電路板的8根輸出信號線。各輸出信號線對應(yīng)的電動機(jī)動作關(guān)系如表2所示。表2. 輸出信號線與電動機(jī)動作對應(yīng)關(guān)系表輸出信號線序號(自左到右)對應(yīng)電動機(jī)備 注1擺動電機(jī)左轉(zhuǎn)2擺動電機(jī)右轉(zhuǎn)3水平電機(jī)伸出4水平電機(jī)退回5垂直電機(jī)上移6垂直電機(jī)下移7手指電機(jī)張開8手指電機(jī)夾緊3.1.6 系統(tǒng)組成圖圖5、機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)總組成圖在計(jì)算機(jī)利用STP7軟件進(jìn)行程序的編寫，通過通訊線將程序下載到S7200PLC中，PLC的輸入輸出與機(jī)械手的輸入輸

12、出相連，程序下載成功后，撥動相應(yīng)的開關(guān)機(jī)械手即可做出相應(yīng)的操作，在計(jì)算機(jī)中可以進(jìn)行對程序的監(jiān)控。3.2 有關(guān)機(jī)械手的I/O系統(tǒng)變量定義及分配表 表3機(jī)械手的輸入點(diǎn)分配表名稱輸入點(diǎn)編號說明左限開關(guān)I0.0左轉(zhuǎn)到位開關(guān)右限開關(guān)I0.1右轉(zhuǎn)到位開關(guān)后限開關(guān)I0.2退回到位開關(guān)前限開關(guān)I0.3伸出到位開關(guān)上行開關(guān)I0.4上行到位開關(guān)下行開關(guān)I0.5下行到位開關(guān)張開開關(guān)I0.6張開到位開關(guān) 夾緊開關(guān)I0.7手指夾緊到位 表4機(jī)械手的輸出點(diǎn)分配表名稱輸出點(diǎn)編號說明電機(jī)左轉(zhuǎn)Q0.0電機(jī)左轉(zhuǎn)電機(jī)右轉(zhuǎn)Q0.1電機(jī)右轉(zhuǎn)電機(jī)后退Q0.2電機(jī)后退電機(jī)前行Q0.3電機(jī)前行電機(jī)上移Q0.4電機(jī)上移電機(jī)下移Q0.5電機(jī)下移

13、手指電機(jī)張開Q0.6手指電機(jī)張開手指電機(jī)夾緊Q0.7手指電機(jī)夾緊3.3 系統(tǒng)接線圖設(shè)計(jì) 圖6、機(jī)械手控制系統(tǒng)的接線圖3.4流程圖 機(jī)械手程序的簡要說明：1、撥動I1.2產(chǎn)生脈沖機(jī)械手可以產(chǎn)生單步運(yùn)作， 在單步模式下按下啟動按鈕(假設(shè)機(jī)械手處于初始位置，那么開始運(yùn)行；否那么，按下復(fù)位鍵，使機(jī)械手復(fù)位)伸出下行手指夾緊上行左轉(zhuǎn)下行手指張開上行退回左行停止2、將I1.2撥到閉合位置機(jī)械手連續(xù)模式運(yùn)作，在連續(xù)模式下按下啟動按鈕，上述動作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個工件的傳輸過程。連續(xù)模式下，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作結(jié)束后，停止運(yùn)行。I1.4可以實(shí)現(xiàn)單周期和多周期的切換。3、程序下載

14、成功后，撥動啟動按鈕I1.0機(jī)械手進(jìn)行自動復(fù)位，假設(shè)機(jī)械手在運(yùn)作過程中發(fā)生停止按復(fù)位按鈕I1.3可以進(jìn)行機(jī)械手的復(fù)位。4、上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)所采用上位監(jiān)控系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)的上STEP 7Micro WIN軟件，而進(jìn)行對程序和設(shè)備的系統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控，主要的過程如下：熟悉STEP 7Micro WIN軟件的編程環(huán)境、編程方法和用STEP 7Micro WIN軟件編寫上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的程序。根據(jù)課目設(shè)計(jì)要求，編寫程序。對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和I/O地址的分配、標(biāo)釋。運(yùn)行機(jī)械手設(shè)備，翻開上位機(jī)上的監(jiān)控系統(tǒng)，觀察課目設(shè)計(jì)程序，并監(jiān)控機(jī)械手設(shè)備是否正常情況下工作。對設(shè)備工作中的缺乏進(jìn)行修改，重新進(jìn)行觀察圖7、機(jī)械

15、手程序監(jiān)控實(shí)圖圖8、機(jī)械手未計(jì)數(shù)時狀態(tài)圖9、機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)一周時狀態(tài)5、 程序調(diào)試5.1 調(diào)試設(shè)備 首先在電腦的STEP-7-Micro/WIN編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，然后點(diǎn)擊運(yùn)行并對其指出的錯誤進(jìn)行修改，修改完最終運(yùn)行無誤后將其下載到可編程控制儀器中；其次按照設(shè)計(jì)的要求接好線，確定無誤后按下啟動按鈕。啟動后發(fā)現(xiàn)程序并不能按照實(shí)驗(yàn)要求的步驟進(jìn)行運(yùn)行，甚至沒有可運(yùn)行的跡象，這樣起初設(shè)計(jì)的單步程序和連續(xù)運(yùn)行程序就失敗了，也就不符合設(shè)計(jì)中的要求動作依次有序進(jìn)行操作的要求，所以務(wù)必要對其進(jìn)行修正。這種情況下我采取了以下方案：方案一：在沒有確定設(shè)備是否存在問題的情況下，首先我們對設(shè)備進(jìn)行了檢測，

16、發(fā)現(xiàn)不存在任何問題，在這種情況下我選擇了再一次用先前的步驟來完成整個過程以確定初次的接線過程是否有誤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和以前的運(yùn)行結(jié)果一樣。這樣方案一就以失敗而告終。方案二：經(jīng)過老師的指點(diǎn)我才明白是最初的程序均是單獨(dú)的互不連接的，未經(jīng)子程序進(jìn)行調(diào)用，因此就更不用提程序能連續(xù)運(yùn)行了。于是我這次選擇了利用順序功能圖進(jìn)行編程，摒棄了之前的程序，經(jīng)過對程序的一改再改之后，又一次對程序進(jìn)行了調(diào)試并下載到可編程控制器中進(jìn)行模擬檢測，結(jié)果仍然取得了不盡如人意的結(jié)果。于是就再去請教指導(dǎo)老師，經(jīng)過一番指導(dǎo)終于小有成果，可以使機(jī)械手進(jìn)行預(yù)定步驟的動作的演示，所以此方案成功了。5.2 遇到的問題與解決方法1、問題：“怎樣使

17、機(jī)械手的工作狀態(tài)清晰而簡單呈現(xiàn)出來？法案：“采用功能圖進(jìn)行程序的編寫與調(diào)試。2、問題：“如何解決機(jī)械手的動作單步運(yùn)行？法案：“使用I1.2進(jìn)行單步與連續(xù)之間的切換。3、問題：“如何解決對工件數(shù)目的計(jì)數(shù)？法案：“進(jìn)行標(biāo)志位設(shè)置，使用傳送指令、加數(shù)指令、上沿觸發(fā)指令，以循環(huán)動作的最后一步限位開關(guān)閉合作為觸發(fā)進(jìn)行加數(shù)，把所得加數(shù)和送給VB0. 6、心得體會 機(jī)械臂的PLC控制課程設(shè)計(jì)是自動化課程當(dāng)中一個重要環(huán)節(jié)通過了2周的課程設(shè)計(jì)使我對課程設(shè)計(jì)過程有進(jìn)一步了解，對自動化產(chǎn)品的有關(guān)的控制知識有了深刻的認(rèn)識。此次設(shè)計(jì)是在張士磊老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師為設(shè)計(jì)課題的研究提出了許多指導(dǎo)性的意見，為課程設(shè)計(jì)

18、的撰寫、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。張士磊老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、不斷探索的科研作風(fēng)，敏銳深邃的學(xué)術(shù)洞察力，孜孜不倦的敬業(yè)精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文結(jié)束之際，特向我敬愛的老師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！通過此次設(shè)計(jì)，一方面讓我認(rèn)識到自己的缺乏，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)對復(fù)雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的根底。再一方面也加強(qiáng)了我和老師的交流，認(rèn)識到知識的淵博度。因?yàn)槔碚撝R學(xué)的不牢固，在設(shè)計(jì)遇到了不少問題，如：遺忘以前學(xué)過的專業(yè)根底知識。通過理論與實(shí)際的結(jié)合，進(jìn)一步提高觀察、分析和解決問題的實(shí)際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的高素質(zhì)的復(fù)合型人才。運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，把理論運(yùn)用于實(shí)際，使理論得以提升，形成創(chuàng)新思想。通過此次設(shè)計(jì)過程，