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(dòng)控制系 專業(yè)班級(jí)： 計(jì)控102班 姓 名： 劉 賓 學(xué) 號(hào)： 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(huì)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)重要組成局部。機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)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(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)床或自動(dòng)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(xiǎn)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(dòng)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(tái)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(xiǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)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(shí)滿足時(shí)為機(jī)械手初始位置。開機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)械手應(yīng)該首先自動(dòng)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(dòng)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(dòng)作實(shí)現(xiàn)時(shí)，某些動(dòng)作(見上述動(dòng)作字體加粗局部)可以同時(shí)進(jìn)行。在連續(xù)模式下按下啟動(dòng)按鈕，上述動(dòng)作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個(gè)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(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的保護(hù)程序。要求自動(dòng)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(gè)數(shù)，存儲(chǔ)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(jí)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(dòng)化設(shè)備，它具有工件的自動(dòng)取拿、移動(dòng)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(dòng)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(dòng)、伸出與退回、上下移動(dòng)、機(jī)械手指的夾緊與張開等四自由度動(dòng)作。圖1. 機(jī)械手實(shí)驗(yàn)設(shè)備3.1.1 輸出驅(qū)動(dòng)單元該設(shè)備四自由度動(dòng)作由四臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)可進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。左右擺動(dòng)由齒輪組嚙合實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)；伸出與退回、上下移動(dòng)由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備共有8個(gè)動(dòng)作，由控制器輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)。3.1.2輸入檢測單元每個(gè)自由度運(yùn)行極限位置設(shè)置了兩個(gè)行程開關(guān)，用于判斷當(dāng)前動(dòng)作是否到位。該設(shè)備共有8個(gè)行程開關(guān)作為控制器的輸入信號(hào)。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(duì)象，對(duì)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(dòng)單元、輸入檢測單元與PLC之間的信號(hào)接口問題。圖中上層電路板是驅(qū)動(dòng)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(hào)(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(gè)輸入信號(hào)，對(duì)應(yīng)輸入接口電路板的8根輸入信號(hào)線。各信號(hào)線對(duì)應(yīng)的行程開關(guān)如表1所示。表1. 輸

10、入信號(hào)線與行程開關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系表輸入信號(hào)線序號(hào)(自左到右)對(duì)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(dòng)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(hào)用于驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，從而控制電動(dòng)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(dòng)電路板電氣原理圖，繼電器A吸合、B釋放，對(duì)應(yīng)的電機(jī)正轉(zhuǎn)；繼電器A釋放、B吸合，對(duì)應(yīng)的電機(jī)反轉(zhuǎn)；繼電器A、B同時(shí)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(hào)有效時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)有效，從而可以使得對(duì)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(dòng)電路板，右圖為輸出接口電路板)本設(shè)備有8個(gè)輸出控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)輸出接口電路板的8根輸出信號(hào)線。各輸出信號(hào)線對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)動(dòng)作關(guān)系如表2所示。表2. 輸出信號(hào)線與電動(dòng)機(jī)動(dòng)作對(duì)應(yīng)關(guān)系表輸出信號(hào)線序號(hào)(自左到右)對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)備 注1擺動(dòng)電機(jī)左轉(zhuǎn)2擺動(dòng)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(dòng)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(duì)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(hào)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)按鈕，上述動(dòng)作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個(gè)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(dòng)啟動(dòng)按鈕I1.0機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)狀態(tài)圖9、機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)一周時(shí)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(duì)其指出的錯(cuò)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(dòng)按鈕。啟動(dòng)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(dòng)作依次有序進(jìn)行操作的要求，所以務(wù)必要對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)程序的一改再改之后，又一次對(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(huì) 機(jī)械臂的PLC控制課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化課程當(dāng)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)通過了2周的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)課程設(shè)計(jì)過程有進(jìn)一步了解，對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品的有關(guān)的控制知識(shí)有了深刻的認(rèn)識(shí)。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(shí)到自己的缺乏，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤之處；另一方面又積累豐富的知識(shí)，吸取別人好的方法和經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)對(duì)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(shí)到知識(shí)的淵博度。因?yàn)槔碚撝R(shí)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(shí)。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(dòng)適應(yīng)社會(huì)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，