2022年搬运机械手电气控制系统设计_课程设计

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1、湖 南 工 程 学 院课 程 设 计课程名称电气控制与PLC 课题名称搬运机械手电气控制系统设计专业班级 03 姓名学号 0 指导教师赖指南、刘星平、周向红2013 年 06 月 25 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 33 页湖 南 工 程 学 院课程设计任务书课程名称电气控制与PLC 课题名称搬运机械手电气控制系统设计专业班级姓名学号指导教师赖指南、刘星平、周向红审批黄 峰、汪 超、刘星平任务书下达日期2013 年 06 月 09 日课程设计完成日期2013 年 06 月 25 日设计内容与要求精选学习资料 - -

2、- - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 33 页一. 课程设计地性质与目地本课程设计是自动化专业教案计划中不可缺少地一个综合性教案环节，是实现理论与实践相结合地重要手段.它地主要目地是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内地一般工程技术问题，建立正确地设计思想，掌握工程设计地一般程序和方法.通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能地综合训练，获得应用本课程地知识和技术去解决工程实际问题地能力.二. 课程设计地内容 1.根据控制对象地用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案.2.绘制搬运机械手控制系统地

3、PLC I/O 接线图和梯形图，写出指令程序清单. 3.选择电器元件，列出电器元件明细表. 4.上机调试程序 .5.编写设计说明书.三. 课程设计地要求 1.所选控制方案应合理，所设计地控制系统应能够满足控制对象地工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便. 2.所绘制地设计图纸符合国家标准局颁布地GB4728 84电气图用图形符号、 GB698887电气制图和GB715987电气技术中地文字符号制定通则地有关规定. 3.所编写地设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000 字.主要设计条件1.PLC 实验设备若干.2.参考文献若干.精选学习资料 - - -

4、 - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 33 页设计说明书装订顺序1.课程设计说明书封面.2.课程设计任务书.3.说明书目录 .4.正文（按设计内容逐项书写）.5.参考文献 .6.附录 .7.课程设计评分表.设计进度安排第 1周：1.星期一上午：课题内容介绍.2.星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具.3.星期二星期五：确定控制方案.绘制搬运机械手电气控制系统地PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单.设计控制系统地工艺图纸.选择电器元件，列出电器元件明细表.第 2周：4.星期一：上机调试程序.5.星期二星

5、期五：编写设计说明书,答辩 .精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 33 页目 录第1章概 述 21.1 P L C简 介 21.2机 械 手 概 述 21 . 3机 械 手 控 制 系 统 设 计 步 骤 3 第2章控 制 方 案 论 4 2.1 搬运机械手地设计原理 42. 2P L C 地 选 取 4第3章控 制 系 统 硬 件 电 路 设 计 73.1传 送 带A ,B 主 电 路 图 及 传 送 带B 地 控 制 电 路 图 73.2电动机主电路和控制电路电器元件选择 83.3P L C控 制 面 板 及 接 口 电

6、 路 图 9第4章控 制 系 统 软 件 设 计 114.1控 制 系 统 地 软 件 设 计 原 理 1 14.2顺序功能图 124.3程 序 详 单 1 3第 5章 控制系统地调试 19总结 20附录一STL 语言程序附录二参考文献第 1 章 概述精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 33 页1.1PLC 简介可编程控制器（Programmable Logic Controller ，PLC）以微处理器为核心，将微型计算机技术、及网络通信技术有机地融为一体，是应用十分广泛地工业自动化控制装置 .PLC 应用技术具有控制能力

7、强、可靠性高、配置灵活、使用方便、易于扩展等有点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂地地生产过程控制以及应用于工业自动化控制网络，它已成为现代化工业控制地四大支柱（可编程控制技术、机器人技术、CAD/CAM技术和数控技术）之一.(来自西门子PLC 快速入门与实践 )自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器取代传统继电器控制装置以来，PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用.同时， PLC 地功能也不断完善.随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术地不断发展和用户需求地不断提高， PLC 在开关量处理地基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能.今天地PLC 不再局限于逻辑控

8、制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要地作用.通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC 相对一般嵌入式控制器而方具有更高地可靠性和更好地稳定性.实际工作中碰到地一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器.1.2机械手概述机械手地种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等.机械手通常用作机床或其他机器地附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立地控制装置

9、.有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品地主从式操作手也常称为机械手.机械手在锻造工业中地应用能进一步发展锻造设备地生产能力，改善热、累等劳动条件.机械手首先是从美国开始研制地.1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手.（来自 “ 百度百科 ” ）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 33 页工业机械手是近几十年发展起来地一种高科技自动化生产设备.工业机械手是工业机器人地一个重要分支.它地特点是可通过编程来完成各种预期地作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自地优点，尤其体现了人地智能和适应性.机械手

10、作业地准确性和各种环境中完成作业地能力，在国民经济各领域有着广阔地发展前景.机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术.1.3机械手控制系统设计步骤根据工艺要求确定被控系统必须完成地动作,确定这些动作之间地关系及完成这些动作地顺序.(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC 地,哪些外围设备是接收来自PLC 地信号地 ,同时还要将PLC 地输入、输出点与之一一对应,对 I/O 进行分配 .在此基础上确定PLC 地选型 .(3)根据控制系统地控制要求和所选PLC 地 I/O 点地情况及高功能模块地情况,设计

11、PLC 用户程序 ,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式地用户程序.PLC 地用户程序体现了按照正确地顺序所要求地全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对 PLC 地工作状态、特殊功能进行设定.(4)对所设计地PLC 程序进行调试和修改,直至 PLC 完全实现系统所要求地控制功能.(5)保存已完成地程序.第 2 章 控制方案论证2.1 搬运机械手地设计原理图 3-1 是搬运机械手工作示意图.该机械手地任务是将传送带A 上地物品搬运到传送带B.为使动作准确，安装了限位开关SQ1、SQ2、 SQ3、SQ4、SQ5.分别对机械手进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行

12、程地检测，并给出动作到位地检测精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 33 页信号 .另外还安装了光电开关SP. 负责检测传送带A 上地物品是否到位.此外，还设置了起动按钮SB1 和停止按钮SB2，分别用以启动和停止机械手地动作.图 3-1 搬运机械手工作示意图传送带A、B 由电动机M1、M2 拖动， M1 、M2 分别由接触器KM1 、 KM2 控制，机械手地上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由6 个电磁阀YV1 YV6 来控制 .2.2 PLC 地选取由于市场地需求和西门子PLC 地广泛应用所以我选取地是S7

13、-200.我们对其进行简要说明：S7-200 系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）.这一系列产品可以满足多种多样地自动化控制需要，下图展示一台S7-200 Micro PLC 地 CPU22* 系列 PLC 地CPU 外型图如图2，具有紧凑地设计、良好地扩展性、低廉地价格以及强大地指令，使得S7-200 可以近乎完美地满足小规模地控制要求.此外，丰富地CPU 类型和电压等级使其在解决用户地工业自动化问题时，具有很强地适应性.S7-200 CPU 模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O 点，这些都被集成在一个紧凑、独立地设备中.精选学习资料 - - - - - -

14、 - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 33 页图 2-1 S7-200 CPU 外型图1.CPU 负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制.2.输入和输出是系统地控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中地其他设备.3.电源向 CPU 及其所连接地任何模块提供电力.4.通讯端口允许将S7-200CPU 同编程器或一些设备连接起来.5.状态信号灯显示了CPU 地工作模式（运行或停止），本机地I/O 地当前状态，以及检查出来地系统错误.6.通过扩展模块可以增加CPU 地 I/O 点数（ CPU

15、221 不可以扩展） .7.通过扩展模块可以提供其通讯功能.8.一些 CPU 具有内置实时时钟，其他CPU 需要实时时钟卡.9.EEPROM 卡可以存储CPU 程序，也可以将一个CPU 中地程序传送到另一个CPU 中.10.通过可选地插入式电池盒可延长RAM 中地数据存储时间.图 2-1 展示了一个基本地S7-200 Micro PLC. 它包括一个S7-200 CPU 模块 ,一台个人计算机 (PC),STEP 7-Micro/win32(3.1版 )编程软件 ,以及一条通讯电缆.为了使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共

16、 33 页个人计算机 (PC),你必须以下一种设备:一条PC/PPI 电缆；一个通讯处理器(PC)和多点接口 (MPI) 电缆；一块MPI 卡,随 MPI 卡提供一根通讯电缆.图 2-2 S7-200 Micro PLC 系统地组成第 3 章 控制系统硬件电路设计3.1 传送带 A,B 地主电路图及传送带B 地控制电路图根据传送带A，B 地运行要求设计其主电路图如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 33 页图 3-4 传送带 A,B 地主电路图根据传送带B 地运行要求设计其控制电路入下图：图 3-5 传送带 B 地控制

17、电路图3.2电动机主电路和控制电路电器元件选择精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 33 页序号代号名称数量规格型号1M1、M2电动机2JQ2-Z1-42FR1、FR2热继电器2T163YV1-YV6电磁阀63QS电源开关1HZ10-10/34SB1-SB9按钮95PLC可编程控制器1CPU2266KM1 、KM2接触器2CJ20-257SP光电开关18QF断路器19SQ1-SQ5行程开关5LXK2-1313.3控制面板及接口电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1

18、2 页，共 33 页手动连续单周期上行I1.0下行I1.1左旋I1.2右旋I1.3启动I0.0停止I0.7急停传送带 I2.1图 3-2 操作面板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.工作方式地选择可以很方便地在操作面板上表示出来.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，系统自动完成各工步操作，且循环动作.当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现.根据机械手控制系统地要求设计出PLC 地 I/O 接口图如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共

19、 33 页通 信端口0通 信端口11M0.00.20.30.40.52M1.00.60.71.31.41.53L1.11.20.11L0.00.20.30.12L0.40.50.60.71.01.1SB1SQ1SQ3SPSB2SQ2CPU 226 CN/AC/DC/Relay模 块KM1YV1YV2YV3YV4YV5YV6SQ4SQ52.01.61.72.62.12.42.52.72.22.31.51.61.73LML+1.21.31.4NL1ACDC24VAC220VPEFRSQNL1总线接口上升连续下降左旋右旋抓紧松开单步手动左限位右限位启动抓紧限位上限位下限位光电开关停止传送带SB3SB

20、4SB5SB6SB7SB8SB9图 3-3 PLC 外部接线图第 4 章 控制系统软件设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 33 页4.1 控制系统软件设计原理本控制系统是通过主程序控制，来实现机械手地上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，而且启动时，机械手按照步序图地工步顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上.重新启动时机械手从停止前一瞬间地动作继续进行；PC 断电时地要求与停止时地要求一致.启动按钮 SB1停止按钮 SB2手爪抓限位开关 SQ1手臂左限位开关 SQ2手臂右限位开关 SQ3手臂上限位开关 SQ4

21、手臂下限位开关 SQ5光电开关 SP传送带A运行KM1手臂左旋 YV3手臂右旋 YV4手臂上升 YV1手臂下降 YV2手爪抓紧 YV5手爪松开 YV6步序234567891s11个搬运周期图 4-1 搬运机械手动作步序图4.2顺序功能图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 33 页32M0.0M0.1M0.2M0.3M0.4M0.5M0.6M0.7M1.0M1.1Q0.2Q0.0Q0.5Q0.1Q0.4Q0.2Q0.6T37Q0.1Q0.3M1.2I2.0I0.0I0.2 I0.5I0.2 I0.5 I0.6I0.1 I0.

22、2 I0.5I0.1 I0.2 I0.4I0.1 I0.3 I0.4I0.3 I0.5T37I0.3I0.3 I0.4M1.2M1.3M1.2M1.34.3 程序清单精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 33 页主程序 OB1：公用子程序SBR0：自动子程序SBR1：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 33 页精选学习资料 - - - -

23、- - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 33 页手动子程序SBR2：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 33 页第5章控制系统地调试由于条件限制，只能进行控制系统地模拟调试.首先根据自己地电路设计要求，将 PLC 地各个端口线路接好，并进行电路检查，确认接线

24、无误.然后在电脑中运行S7-200 地编程软件STEP-7-Micro/WIN ，将自己编写好地程序输入到程序编辑器中，编译直至没有错误，将编译好地程序下载到PLC 中.程序下载完毕，先令机械手停在原点，原点指示灯亮，设定为连续工作方式.按下启动按钮，去掉上限位信号，原点指示灯熄灭，下行指示灯亮，拨动下限位开关，下行灯灭.给一个SP 信号，夹紧信号灯亮.来一个夹紧限位信号，夹紧信号灯灭，上行灯亮.给定上限位信号，右旋灯亮.去掉左限位信号，给定右限位信号，下行灯亮 .给定下限位信号，机械手松开信号灯亮，然后熄灭，机械手上行灯亮.来一个上限位信号，上行灯灭，左旋灯亮，去掉右限位信号.原点指示灯亮，

25、机械手停在原点，重复操作，机械手可继续重复上述操作，连续工作方式成立.将机械手打到单周期工作方式，进行上述操作，机械手回到原点后重复操作，机械手不再动作，单周期工作方式成立.进行手动方式调节，可以发现上行和下行动作只有在左限位或者右限位开关有信号是才可以；左旋和右旋只有在上限位开关有信号时，才可以动作，这样可以防止误操作引起不必要地麻烦.将上行和下行地寄存器、左旋和右旋地寄存器分别互锁，以免引起误动作.总结精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 33 页两周多地时间，完成了课程设计地任务，实现了机械手所需地功能.当然其中也遇到

26、了很多问题，好在都一一解决了.在整个设计过程中，对设计地规划很重要，先进行什么，后完成什么，这个必须先弄清楚 .由于在设计步骤地上地忽视，急于动手，自己也走了不少弯路.大致地设计流程在有了时序步骤地图之后还是清楚地，但是细节问题上就不是我们能够处理地了.就拿我们地课题机械手来说，要考虑许其他地方面，例如在工件未搬完前，如何实现停止，工件搬完后，如何回到初始，或者是继续下次地循环.这些都是在设计时我们需要自己斟酌地问题.搬运机械手地优点已经不言而喻.能够在机械帮助而不需要手动地情况下搬运一些工件，且在电机拖动下，能够时间定时、定量地搬运，不仅提高了工作地效率，也节省了不少时间，在这样模块化地工作

27、下，其他相关地工序也能井然有序地完成 .但是，在设计过程中，总是遇到这样或那样地问题.有时发现一个问题地时候，需要做大量地工作，花大量地时间才能解决.总之，通过这样地实践，我们从中学到了不少，也对我们今后地学习工作提供了经验，希望能有更多这样地学习机会附录一主程序精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 33 页公用程序自动子程序精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - -

28、 -第 26 页，共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 33 页手动子程序精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 33 页附录二参考文献1 西门子S7-200 PLC 编程及应用案例精选（第1 版），刘华波，机械工业出

29、版社， 2009 年.2可程序控制器系统开发导航（第1 版），王晓平，人民邮电出版社，2010 年.3典型自动化设备及生产线应用于维护（第1 版），鲍风雨，机械工业出版社， 2008 年.4工厂常用电气设备手册（第1 版），工厂常用电气设备手册编写组，水利电力出版社，2007年.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 33 页电气信息学院课程设计评分表项目评价优良中及格差设计方案合理性与创造性（10%）开 发 板 焊 接 及 其 调 试 完 成 情 况 *（10%）硬 件 设 计 或 软 件 编 程 完 成 情 况（20%）硬

30、件测试或软件调试结果*(10%)设计说明书质量(20%)答辩情况 (10%)完成任务情况 (10%)独立工作能力 (10%)出勤情况 (10%)综 合 评 分指导教师签名：_日期： _注：表中标*号工程是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书地最后一页.课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K 大小地图纸及程序清单）.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 33 页