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1、14河南工业大学电气控制与PLC课程设计题 目: 坐标式机械手的电气控制系统 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 成绩：指导老师签名：2013年 月 日指导教师： 1 PLC系统描述31.1 PLC的概述31.2 PLC的应用32 总体设计方案42.1 机械手概述42.2 机械手的工作方式52.3 控制要求62.4 注意事项73 坐标式机械手的电气控制系统I/O地址分配和I/O接线图83.1 坐标式机械手的电气控制系统I/O地址分83.2 坐标式机械手的电气控制系统I/O接线图83.3 主电路图93.4 元器件的选择104 坐标式机械手的电气控制系统梯形图124.1 坐
2、标式机械手的电气控制系统梯形图124.2 坐标式机械手的电气控制系统语句表156 系统调试16设计心得17参 考 文 献181 PLC系统描述1.1 PLC的概述可编程序控制器（Program Logic Controller,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种.小批量生产的需要，生产.发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能.简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动
3、化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。1.2 PLC的应用 PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、
4、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：（1）顺序控制 （2）运动控制 （3）过程控制（4）数据处理 （5）通信网络 2 总体设计方案2.1 机械手概述机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的
5、重视，并越来越广泛地得到了应用。例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。 2.2 机械手的工作方式机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。包括上升、下降、左移、右移、夹紧、松
6、开、启动、停止等。机械手传送工件系统示意图，如图1所示。图1 机械手传送示意及操作面板图 当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，当A点有工件时，机械手从原点下降到低位，夹紧工件。然后，机械手上升到高位，左移到右位，B点无工件时，下降到低位，松开共建。最后上升到高位，左移回原位。系统自动完成以上操作，且循环动作，其间，手动按钮无效。当旋钮打向手动时，按下相应的手动按钮，可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、松开的手动控制，其间，自动按钮无效。2.3 控制要求 图1.1 坐标式机械手动作原理图坐标式机械手动作原理图如图1.1所示。其控制要求：将物体从位置A搬至位置B（1
7、）动作顺序：机械手从原点位置起始下移到A处下限位从A处夹紧物体后上升至上限位右移至右限位机械手下降至B处下限位将物体放置在B处后上升至上限位左移至左限位（原点）为一个循环。（2）上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制；机械手设立起动和停止开关。（3）机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。（4）机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。（5）若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。（6）要求循环工作1小时时，判断机械手是否夹有物体，若没有，则立即自动
8、停止工作并警铃报警；若夹有物体，则继续工作至物体放置到B位后自动停止工作并警铃报警。2.4 注意事项（1）上升和下降机械手上升或下降的动作都要到位，否则不能进行下一个工作步。上升或下降的动作用两个带线圈的电磁阀控制。（2）夹紧和放松机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位处进行，且其动作都要到位。为了确保夹紧和放松的动作可靠性，需对这两个动作进行定时。加紧和放松动作由单线圈的电磁阀控制，电磁阀线圈的得电为夹紧，失电为放松。（3）左行和右行自动方式时，机械手的左、右运动必须在压动上限位开关后才能进行；机械手的左、右运动都必须到位，以确保在左工作台取到工件并在右工作台下放下工件。可使用上限位开关、左上
9、限位开关和右上限位开关进行控制。左行、右行的动作由双线圈电磁阀控制。（4）自动运行自动方式下误操作的禁止：自动方式时，按一次起动按钮自动运行方式开始后，再按别的操作按钮错误操作，程序对错误操作不予响应。（5）手动运行手动运行时，只有按下单步上升、单步下降、单步左行、单步右行、手动夹紧放松时机械手会动作，同样再按别的操作按钮错误操作，程序对错误操作不予响应。3 坐标式机械手的电气控制系统I/O地址分配和I/O接线图3.1 坐标式机械手的电气控制系统I/O地址分分析系统控制要求，系统可以选择自动和手动工作方式，其输入信号有启动、停车、上限行程、左上限行程、A下限行程、右上限行程、B下限行程、手动运
10、行、自动运行、单步上升、单步下降、单步左移、单步右移、手动夹紧、手动放松共15个按钮信号。输出有夹紧、上升、下降、报警指示、右行、左行、原点指示共7个信号。由此可知，系统所需的输入点数为15，输出点数为7，且都是开关量。根据以上分析，此系统属于小型单机控制系统，我选用的是三菱FX2N系列PLC，故该系统的I/O分配表如下表3.1所示： 表3.1 I/O分配表输入地址号信号名称代号输入地址号信号名称代号输出地址号信号名称代号X0启动SB1X10自动运行SB4Y0夹紧KM1X1停车SB2X11单步上升SB5Y2上升KM2X2上限行程SQ1X12单步下降SB6Y3下降KM3X3左上限行程SQ2X13
11、单步左移SB7Y4报警指示KM4X4A下限行程SQ3X14单步右移SB8Y5右行KM5X5右上限行程SQ4X15手动夹紧SB9Y6左行KM6X6B下限行程SQ5X16手动放松SB10Y7原点指示KM7X7手动运行SB33.2 坐标式机械手的电气控制系统I/O接线图 根据I/O分配表，画出系统的I/O接线图，如图4.1所示。另外接线图中添加了信号灯，分别来作为机械手在A下限、左上限、上限、右上限、B下限的状态指示，输出接口中Y4接有报警显示灯，Y7接有原点位置指示灯 PLC的I/O接线图3.3 主电路图 根据控制系统要求设计主电路，系统要用到两个电动机，对电动机M1和M2要求其能实现正反转，M1
12、实现机械手的上下运动，M2实现机械手的左右运动。当KM2接通时M1正转，机械手向上运动，当KM3接通时M1反转，机械手向下运动。当KM5接通时M2正转，机械手向右运动，当KM6接通时，M2反转，机械手向左运动。系统通过组合开关QS来实现主电路的通断，通过熔断器FU1实现短路保护，通过热继电器FR1、FR2实现电动机的长期过载保护。接线时应注意电动机的负荷及正反转的线路连接，以及线路中的过载保护FR1、FR2和短路保护FU1。3.4 元器件的选择序号代号名称型号数量1M三相异步电动机左主轴电机为4kw，1440转/分钟；右主轴电机为5.5kw，1440转/分钟22FR热继电器JRS1-25/Z2
13、3CPUPLC处理器CPU22214KM交流接触器CJX2-25045QS刀开关6FU熔断器RT16-207L导线若干8AC交流电源220v13.5设计流程图4 坐标式机械手的电气控制系统梯形图4.1 坐标式机械手的电气控制系统梯形图4.2 坐标式机械手的电气控制系统语句表6 系统调试首先按已设计好的主电路图和硬件接线图连接好线路，打开电源。然后再将设计好的梯形图输入与PLC相连的电脑或编程器上，在电脑上编辑的程序则要把完整的程序按其步长写入PLC中，之后打开PLC上的运行开关RUN运行程序，对系统进行调试。在实际调试之前可以先对设计好的软件程序进行模拟调试，即在电脑上实行监控操作。在梯形图被
14、激活的状态下，点击“监控”菜单开始监控，也可以有针对性的进行监控（如使用强制元件输出或改变其当前值来实现）。若模拟的效果跟实际系统的要求相一致，则表示该程序是正确的，下一步可直接进入实际运行。如有错误应根据错误的现象集中有方向的对程序进行调整，直到不再出现错误为止。在程序的传送过程中若出现通信错误应检查PLC的电源是否打开或PLC和电脑的接口是否已连接上。系统调试包括硬件和软件两大部分，以软件为主。在调试过程中，两者应协调一致。软件调试时，应首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。调试时应尽可能逼近实际系统，并考虑到各种可能出现的状态，应作多次反复的调试，发生问题应及时分析和调整。要学会根据错误现象集中的检查线路或程序，检查线路开关的连接是否与程序要求相符合，确保实验面板上的开关接口都是好的，以及程序的编写是否正确，检查完毕后再运行程序进行调试。程序的设计应和调试相配合，由机械手的PLC控制程序设计可见,对于较复杂的控制系统,通常是先设计出整个控制系统的程序结构框图,然后
