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1、第一部分:机械手 PLC 控制系统电气控制系统设计一、机械手PLC控制系统电气控制系统设计任务书1 机械手PLC控制系统工艺的技术要求随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一 线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作 环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常 重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操 作装置。机械手是最早出现的工业机器人
2、，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以 实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶 金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具） 的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托 持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改 变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。 为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关
3、 键参数。自 由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由 度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的 信息，形成稳定的闭环控制。借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在 实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环 境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。同时，借助组态软件 的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几 乎都设有机械手，以减少人力和更准确地
4、控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。机械手PLC控制系统分别由：牵引工作台水平移动的电机Ml,牵引手臂上下移动的电机M2, 机械夹钳，左限位行程开关，右限位行程开关，上限位行程开关，下限位行程开关，以及检测A点、 B点是否有工件的光电开关。机械手PLC控制系统原理图如图2-1 1所示：2-l1机械手动作示意图机械手的工作是从原点下降A点抓取工件移动到右端，当髓工件未被移走是机械手不下降，等待工件移走后下降到E点，并放开机-械夹钳，机械手臂向上移动到上限限位然后回濒点开始下一 始自动操件。个工作周期。机械手PLC控制系统可由手动控制和自动控制。自动控制时，当按下起动按钮或A点检测到工 件时机械
5、手开始工作。机械手PLC控制系统对被抓取工件和所处环境工艺要求会有不同，可改变相应的部件进行调 整，但电气控制系统已能满足需求。2. 机械手PLC控制系统动力设备机械手PLC控制系统中所使用的动力设备(牵引工作台水平移动的电机Ml、牵引机械手臂上 下移动的电机M2),均采用三相交流异步电动机。3. 机械手PLC控制系统电气控制系统设计要求(1) 控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。(2) 可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。(3) PLC 的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。(4) 为了设备安全运行，考虑
6、必要的保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等(5) 绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。(6) 选择电器元件、编制元器件目录表。(7) 绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。(8) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。二、机械手PLC控制系统电气控制系统总体设计过程1.总体方案说明(1) 机械手PLC控制系统控制对象电动机均由交流接触器完成正转、反转和停止控制。(2) 两台电动机均接热继电器现过载保护，为常闭触点用以完成各个电动机系统的过载保护。(3) 主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔
7、断器，实现短路保护。(4) 电控箱设置在控制室内。控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与 执行装置之间采用端子板连接。(5) PLC选用继电器输出型。(6) PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地 方式，提高抗干扰能力。2.机械手PLC控制系统电气控制原理图设计(1) 主电路设计机械手 PLC 控制系统电气控制原理图如图2-2-1 所示QFFUOFU1FU2I b-KM3KM4FR1FR2图2-2-1机械手PLC控制系统电控町系统主电路(1)主回路中交流接械手上升、下降、左移虫器KM1、KM2、KM3、KM&分别控制Ml、M2通过正
8、、反转完成机(2)电动机Ml、M2由热继电器FR1、FR2实现过载保护。(3) QF 为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。(4)熔断器FU1、FU2分别实现各负载回路的短路保护。(2) PLC控制电路设计（1）硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等； 分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关 量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结 构配置。（2）根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PL
9、C控制电路，编制I/O接口功能表。图2-2-2机械手PLC控制系统PLC控制电路原理图:右移原点指示手动向下 丰动左移 丰动右移 手动放松 a点光电开关 b点光电开关 草周期 连续自动/手动装换停止 自动起动 上限位 下限位 左限位 右限位 丰动向上图 2-2-2 机械手 PLC 控制系统 PLC 控制电路原理图LX0NXI躯X3Y0X4X5X6HY1X7KX10Y2XIInX12少X13XX14口-Y3X15X16Y4X17COM-INY5COM-OUT（3）KM1、 KM2、 KM3 和 KM4 接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。（4）PLC输入回路中，信号电源由PLC本身
10、的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后 接入PLC电源DC24V的（+ ）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和 容量,最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。（5）PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。表2-1和表2-2分别为 机械手PLC控制系统PLC输入和输出接口功能表。表 2-1 机械后 PLC 控制系统 PLC 输入接口功能表序号工位名称输入端口1自动/手动切换X02停止X13自动起动X24上限位X35下限位X46左限位X57右限位X68手动向上X79手动向下X1010手动向左X111
11、1手动向右X1212手动放松X1313A点光电开关X1414B点观点开关X1515单周期工作X1616连续工作X17表 2-2 机械手 PLC 控制系统 PLC 输出接口功能表序号工位名称输出端口1机械夹钳加紧/放松Y02上升Y13下降Y24左移Y35右移Y46原点指示Y5(5) PLC控制程序设计(1)程序设计。根据控制要求，机械手PLC控制系统控制流程图，如图2-2-3所示， 表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器 的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制(2) 系统静态调试。空载静态调试时，针
12、对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试过程中尽 量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参 数。（3）系统动态调试及运行。在动态带负载状态下调试，密切观察系统的运行状态，采用先手动 再自动的调试方法，逐步进行。遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法， 同时做好详尽记录，以备分析和改进。如所下机 械 手 PLC 控 制 系 统 PLC 控 制 程 序i-+0i：i：=NVZE：中II”；：1tio:=:yn9SOOAino30U：=-=：SsssME
13、；SiOSME；sss13S:沢OS13SSIOXINV克0008W1戌90u：=-=：1liOdOE：80Ltoo.-1-.丄1匚i0iN3d6SN3iul900X1口169UOOA丄王；83丄汩901tssME；89ElOX1口ISS丄1匚it-OLKS丄王；99tliUA丄1匚|910XINV0100X1S330U：=：INVS3ZIOXr-jySOLLOUA丄1匚ita310X1帖sooxiLOLCSS=丄9EOOA丄1匚iOSS丄1匚i66E：SS丄王；19SOOXINVZIOXir-jy86L丄109HOX1丘9L0Xrawit；OCXL丄丄1匚|ZSSOOA丄1匚i0Ssou：=-=:i96000A丄汨astooxINV6LEOOA丄1匚iSt：33S=丄SS010X101SOOXicntt；SSS丄王；E：SLOO.-1-.丄1匚i8SSME6toox1弟00XINV9L8SS丄壬16SOOA丄1匚|l!diOU：=-=：1申00：=：ioeISS
