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1、课程设计说明书1 引言随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。机械手是工业控制和加工中经常用到的执行部件，具有能适应恶劣工作环境、效率高
2、、安全稳定和可进行高强度工作的优点，在自动化生产线上有广泛的应用。在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。为工业机械手设计一个技术性能优良的控制系统，对于提高工业机械手的
3、整体技术性能来说具有十分重要的意义。本设计正是针对这一课题，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。 本设计的电动组合机械手分别由四个不同功能的驱动电机及相应的机械传动装置构成；它们是：旋转电机、水平（X轴）伸缩运行电机、垂直（Y轴）升降运行电机、手爪驱动电机，是一个三轴多位置的机械装置。可以完成零组件的组装、移送等任务。限位开关检测机械手是否到达固定位置。可编程控制器(PLC)控制机械手的动作，实现机械手的单步和连续运行。本设计可编程控制器(PLC)选用施耐德（Schneider Electric）公司M218系列的TM218L
4、DAE24DRHN。机械手的开关量信号直接输入PLC，PLC输出的控制信号用于驱动继电器动作，从而控制机械手按指令操作。2 PLC的介绍可编程逻辑控制器（PLC）是一台可用于机电过程自动化控制（如机械工厂组装生产线、游乐设施、灯具的自动控制）的电子计算机。PLC已应用在许多工厂和机器上。PLC不同于通用计算机，它支持多个输入和输出，扩展了工作的温度范围，受电气噪声的影响很小，具有良好的抗震动和冲击性能。控制机器工作的程序通常存储在电池备份或者非易失性内存中。PLC还是一个硬性实时系统的例子，它的输出结果必须在有限的时间内响应输入条件的变化，否则将导致误操作。历史PLC的发明是为了满足美国汽车制
5、造业的需求。当生产方式改变时，一些汽车公司只要升级软件版本而不用重新布线制作硬接线控制面板就能适应新的生产方式，可编程逻辑控制器在这些公司最先得到应用。数字计算机，作为通用可编程设备，很快就被应用于工业过程的控制。早期的计算机需要专业的程序员和严格的运行环境即保持一定的温度、较高的洁净度和电能质量。通用计算机用于过程控制，需要保护计算机远离车间环境。工业控制计算机需要具备几个属性：能够适应一定的车间环境，易于扩展、支持离散（位表）输入和输出，使用容易掌握，工作过程允许监视。任何计算机系统的响应时间必须快到能够实现控制要求，要求的响应速度根据不同的过程性质有所不同。GM Hydramatic（通
6、用汽车自动变速器公司）于1968年发出了建议更换硬接线的继电器系统的要求。获奖的提案来自马萨诸塞州的贝德福德协会。第一台PLC就是这一提案的结果，它被命名为“084”，因为它是贝德福德协会“第八十四个项目”.此后，贝德福德公司建立了新的公司，致力于开发、生产、销售、服务这种新产品：Modicon（模块化数字控制器的简称）。迪克莫利，该项目的工作人员之一，被称为“PLC之父”。 1977年莫迪康品牌被卖给了古尔德电子公司，后来又被德国AEG公司收购，后又归于法国施耐德电气公司也就是目前的拥有者。发展在全球工业计算机控制领域,围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议,已
7、经发生巨大变革,几乎到处都有PLC,但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展,安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长,这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化,他们必须面对现实,在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲,这是PLC控制器的核心,PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件,而且对于工业用户表现得非常积极。此外,开放式通信网络技术也得到了突破,其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业。可编程控制器（简称PLC)是一种数字运算
8、操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板
9、或机架。无任哪种结构类型的PLC都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。本次课设采用M218系列的TM218LDAE24DRHN详细信息如下：3设计内容及设计方案的选择31 设计目的（1）通过课程设计了解一般控制系统的设计要求、设计内容和设计方法，能够对所学的PLC理论知识灵活应用。（2）利用M218 PLC(型号为TM218LDAE24DRHN或TM218LDAE40DRPHN)完成控制要求。（3）根据控制要求定义I/O点，绘制PLC的外部电气接线图。（4）利用Somachine编程软件绘制设计课题的梯形图。（5）把编写好的梯形图下载到PLC中，运行看是否达到控制要求
10、。3 2 设计内容及要求一、控制要求 根据下列工艺过程，设计PLC控制程序。其中，动力头从原点(X2处)出发，完成加工任务后，回到原点停下，即单周期运行。二、画出系统动作流程图 三、设计I/O点分配 四、画出PLC的外部接线图五、设计完整的梯形图； 六、编译、下载、运行。 3.3 设计工作任务及工作量的要求按照任务书要求，完成课程设计说明书一份；PLC外部接线图一份；PLC梯形图一份。3.4 设计成果形式及要求I/O点分配；PLC外部接线图；梯形图；运行图；设计说明书。4 动作流程图根据工艺过程，设计PLC控制程序。其中，动力头从原点(X2处)出发，完成加工任务后，回到原点停下，即单周期运行。
11、从而画出系统的动作流程图如所示：图1 机械手工艺流程5 I/O点定义及PLC外部接线图5.1 I/O点分配表启动按钮X0工进2启动电磁阀Y7停止按钮X1工进2工作电磁阀Y8前进1按钮X2工进2上升电磁阀Y9工进1按钮X3快进3开启Y10前进2按钮X4快进3自锁电磁阀Y12工进2按钮X5快退开启Y14前进3按钮X6前进2开启电磁阀Y15后退按钮X7全部断开Y16工进1开启电磁阀Y0工进1降停止电阀Y2前进1电磁阀Y4工进1下降电磁阀Y5工进1上升电磁阀Y65.2 PLC外部接线图PLC外部接线图6梯形图及指令表6.1梯形图5.2工作原理 当我们按下启动按钮X0，机械手开始启动，进行第一个快进动作
12、，通过梯形图我们可以看到这时Y4线圈闭合并自锁，此时进行第一个快进过程。当Y4延迟10秒后，线圈Y0得电，使得Y0的常开触点闭合Y5也闭合，同时自锁。当Y4,Y5闭合时,开始第一个工进过程，且同时Y5的常闭出点断开，第一个快进动作停止。同时第一个工进过程下降工作开始，延时5秒后Y2线圈得点，使得Y1失电，第一个工进过程下降动作停止，同时第一个工进过程上升工作开始，再延时5秒后，Y15，Y6得电，同时Y6自锁，第二个快进过程开始。第二个快进过程工作10秒后，Y7得电，同时Y8得电自锁，Y8常闭触点断开，第二个快进结束动作。在得电的瞬间Y6，Y8同时开通延迟5秒后Y9得电进行第二个工进过程的下降工
13、作，再延迟5秒后，即第二个工进过程的上升过程完成后Y10得电，同时Y12得电自锁，开始第三个快进过程。Y12得电后延迟10秒，Y13得电，Y13的长开出点闭合，延迟5秒后，Y14得电，其长开触点闭合，进行快退动作。延迟30秒后，Y16得电，所有动作全部自动停止，完成一个周期的运作，在此过程中我们按下X1无论在何时都能起到急停作用。5.3指令表6.4运行图未启动之前打开启动按钮6总结通过本次课程设计，我学会了很多东西。其中更是加深了对plc的理解，以前的理论课学到的知识得到实践。而且以前对plc控制过程中的一些细节进行了解，在课设过程中，本人通过查看书籍亦或是上网查询，了解了许多以前不知道的东西。了解了plc在我们生活中的巨大作用，特别是通过本次课设发现对机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。参考文献1 曾繁玲. 施耐德PLC、变频器入门与应用实训.中国电力出版社.20112 王阿根. 电气可编程控制原理与应用. 清华大学出版社.20103 郭纯生. 可编程序控制器编程实战与提高. 电子工业出版社.20064 谢克明 夏路易. 可编程控制器. 电子工业出版社.2003 第 18 页 共 18 页
