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基于PLC的机械手课程设计 )

电气控制与PLC

课程设计说明书

题目：机械手抓物电气控制系统设计

专业班级： 1002 姓名：秦凯新

学号： 201046820427 指导教师：

1系统概述 (2)

1.1设计题目应用背景和意义 (2)

1.2课题的设计任务及要求 (2)

1.3机械手的具体参数和要求 (3)

2 方案论证 (3)

2.1 PLC的结构和配置 (3)

2.2 PLC的选择 (5)

2.2 传动机构的选择 (6)

3.1系统的原理方框图 (7)

(8)

3.2 主电路 (8)

3.3 I/O接线图 (8)

3.3 I/O分配图 (11)

3.4 元器件选型 (13)

4 软件设计 (17)

4.1程序流程图 (17)

4.2梯形图 (18)

5 系统调试 (22)

6设计心得 (23)

7参考文献 (23)

1系统概述

1.1设计题目应用背景和意义

本课程机械手设计主要采用了可编程逻辑控制器，简称PLC，来实现工业场合的的自动控制，PLC以微控制器为核心，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置，它具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点。被广泛用于自动化控制的各个领域。

机械手，它能模仿人手和手臂的某些动作功能，用以按照特定的程序设计来抓取，搬运物体或操作某些工具的自动装置。从而实现了工业场合的机械化和自动化。因而广泛用于机械制造，冶金，电子，轻工和航空航天领域。控制的方式基本相同，但复杂度基本不同。

机械臂主要有执行机构，传动机构，和辅助装置组成。

执行机构：机械手的执行结构，由手，手腕，手臂，支柱４部分组成。手使用来抓取的机构，用于抓紧和松开工件，能够完成人手的基本操作。手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行上下，左右，回转动作。支柱用来支撑手臂同时可以用来移动。

传动机构：机械机构的动作有传动系统来实现.常用的传动系统分为机械传动,液压传动,气压传动,电力传动.

1.2课题的设计任务及要求

1、完成设计说明书一份（包括原理的简要说明和软件的编程）(不少于5000字)；其中包括电气原理图一份。（要求用计算机绘图，采用AUTOCAD或者其他绘图软件）、电气安装接线图一份。（要求用计算机绘图，采用AUTOCAD或者其他绘图软件）

2、设计说明书和电气原理图必须按“电气图形符号”和“电气技术文字符号”的国家标准。

1.3机械手的具体参数和要求

机械手抓取物块的结构如图所示。系统右3个气缸组成，每个气缸的动作分别由电磁阀控制DC24V 5W，工作过程如下：

具体要求如下：

（1）如果人工放置物块到工作台上，汽缸B向下动作。

（2）汽缸B向下动作到位，汽缸C动作，抓紧物块。

（3）汽缸C动作，抓紧物块后，汽缸B向上动作。

（4）汽缸B向上动作到位后，汽缸A向左动作。

（5）汽缸A向左动作到位后，汽缸B向下动作。

（6）汽缸B向下动作到位后，汽缸C松开抓手，物块放置到传送带上。

（7）汽缸C松开抓手到位后，汽缸B向上动作。

（8）汽缸B向上到位后，传送带转动，送出物块。同时汽缸A向右移动。

（9）物块送出后，汽缸A向右移动。汽缸A向右移动到位后，进行下次循环。

2 方案论证

2.1 PLC的结构和配置

1, 中央处理器单元

一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。

2,储存器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用于存放PLC 的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。

3,输入输出接口单元

PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。

4,输入接口电路

PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关，光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。

5,输出接口电路

输出接口电路通常有3种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。

继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型的输出电路类似，只是晶体管或晶闸管代替继电器来控制外部负载。

5, 扩展接口和通信接口

PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。

6,电源

PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。

2.2 PLC的选择

机械手要求系统具有稳定性,可靠性,以及接线的简单性,应该选择PLC为核心的控制器,各控制对象都必须在PLC统一控制下协同工作.

三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25

点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

特点 -系统配置即固定又灵活；-编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。

FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；

FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；

FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。

除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等

特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM （可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处

理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code 印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等.

综合考虑各种因素:我决定采用三菱的FX2N-32MR型PLC(16点输入,16点输出) 2.2 传动机构的选择

液压传动的特点:抓重可达几百斤以上,传动平稳,结构紧凑,动过灵敏,但对密封装置要求严格,不宜在高温,低温的场合使用.

气压传动:是压缩空气的的压力来驱动执行机构的机械手,特点是:介质来源极为丰富,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低.使用在高速,轻载,高温,和粉尘的环境中进行工作./

机械传动:特点采用凸轮,连杆,齿轮和齿条等机构实现,其动力由工作机械传递.的特点:动作精确度高,动作频率大,.但结构较大,动作程序不可变.

控制系统:机械手的控制系统主要是机械手按照一定的程序,步骤,方向,速度进行动作,简单的机械手主要采用行程开关,继电器,控制阀以及电路就可以实现传动系统的控制,对于动作复杂的的机械手就要踩用可编程控制器来实现,本设计就是采用PLC.

综合以上因素:我决定选用气压传动方式.

3主电路

3.1系统的原理方框图

如图3.0所示原理方框图

图3.0原理方框图如图3.1所示系统外接面板图

图3.1

3.2 主电路

如图3.2所示

3.3 I/O接线图

如图3.3所示

3.3 I/O分配图

1,控制说明:

1,Y0=1原点指示灯亮; Y0=0 原点指示灯灭; 2,Y1=1机械手夹紧; Y1=0 机械手停止夹紧; 3,Y2=1机械手松开 ; Y2=0 机械手停止松开;

4,Y3=1 机械手下降; Y3=0 机械手停止下降;

5,Y4=1 机械手上升; Y4=0 机械手停止上升;

6,Y5=1机械手左行 ; Y5=0 机械手左行停止;

7,Y6=1机械手右行; Y6=0机械手右行停止

其中Y0,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6接触器一次接HL1,YV1,YV2,YV3,YV4,YV5,YV6;

2,原点状态:

SQ4=1;机械手上升到最高位置

SQ2=1;机械手回到最左边的位置

Y2=1,机械手松开

3,模式选择

4,模式介绍:

(1)点动模式:

当选择点动模式时,即(X0=0,X1=0)时，按下启动按钮SB1时，机械手开始启动

按下SB5（下降按钮）时，Y3=1 机械手下降;当SQ5=1时，Y3=0机械手停止下降; 按下SB7（左行按钮）时，Y5=1机械手左行。当SQ3=1时，Y5=0机械手左行停止; 按下SB10（夹紧按钮）时，Y1=1机械手夹紧;当SQ6=1时，Y1=0 机械手停止夹紧;

按下SB6（上升按钮）时，Y4=1 机械手上升;当SQ4=1时，Y4=0 机械手停止上升; 按下SB8（右行按钮）时，Y6=1机械手右行; 当SQ2=1时，Y6=0机械手右行停止；按下SB9（松开按钮）时，Y2=1机械手松开 ;当SQ7=1时， Y2=0 机械手停止松开; （2）连续运行模式：

当选择连续模式时，即（X0=0,X1=1）时，按下启动按钮SB1时，机械手开始连续运行，直到按下停止按钮SB2，

（3）单周期运行模式

当选择单周期运行模式时,即(X0=1,X1=0)时,按下启动按钮SB1时,机械手只能完成一个周期的工作.

(4)单周步进模式

当选择单周步进模式时,即(X0=1,X1=1)时,按下启动按钮SB2时,机械手只能完成一个工步,再按启动按钮,执行下一个步骤.一个周期结束后,循环执行下一个周期.

3.4 元器件选型

1,行程开关

(1)机械开关：两条线，接通有效。

(2)光电开关：一般三条线，需要供电，一定距离挡住光有效。

(3)接近开关：一般三条线，也有两条的。一般对金属感应，接近有效

机械开关灵敏度较低，但抗杂质，废料干扰能力较大。

光电开关灵敏度较高，但抗杂质，废料干扰能力较小。

接近开关灵敏度较高，一般用于检测金属接近物

2,接触器选择

(1)选择接触器的类型：

根据电路中负载电流的种类选择。交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器，如果控制系统中主要是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，也可都选用交流接触器来控制，但触点的额定电流应选得大一些。

(2)选择接触器主触头的额定电压：

应等于或大于负载的额定电压。

(3)选择接触器主触头的额定电流：

被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。如果接触器是用来控制电动机的频繁启动、正反或反接制动等场合，应将接触器的主触头额定电流降低使用，一般可降低一个等级。(4)根据控制电路要求确定吸引线圈工作电压和辅助触点容量：

如果控制线路比较简单，所用接触器的数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。如果控制线路比较复杂，使用的电器又比较多，为了安全起见，线圈的额定电压可选低一些，这时需要加一个控制变压器。直流接触器线圈的额定电压应视控制回路的情况而定。而一系列、同一容量等级的接触器，其线圈的额定电压有好几种，可以选线圈的额定电压和直流控制电路的电压一致。直流接触器的线圈是加直流电压，交流接触器的线圈一般是加交流电压。有时为了提高接触器的最大操作频率，交流接触器也有采用直流线圈的。如果把直流电压的线圈加上交流电压，因阻挠太大，电流太小，则接触器往往不吸合。如果将交流电压的线圈加上直流电压，则因电阻太小，电流太大，会烧坏线圈。

交流接触器的应用

(5)用途的分类

接触器是一种自动化的控制电器。接触器主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。

接触器按被控电流的种类可分为交流接触器和直流接触器。这里主要介绍常用的交流接触器。交流接触器又可分为电磁式和真空式两种.

3,熔断器选择

熔断器的主要作用是短路保护。对熔断器的选择要求是：在电气设备正常运行时，熔断器不应熔断；在出现短路时，应立即熔断；在电流发生正常变动（如电机起动过程）时，熔断器不应熔断；在用电设备持续过载时，应延时熔断。熔断器的额定电压要大于或等于电路的额定电压。对熔断器的选用主要包括熔断器类型选择和熔体额定电流的确定。熔断器的类型根据不同的使用场合、电压等级、保护对象和要求，有很多品种和类型。高压熔断器，高压熔断器又分为户内式和户外式两种，这里不赘述。低压熔断器常见有插入式、管式、螺旋式三大类。又可分为开启式、半封闭式和封闭式三种。R-熔断器；C-插入式；L -螺旋式；M-密闭管式；S-快速；T-有填料管式。如RC1、RC1A 为插人式；RM-无填料管式；RT0、RL1、RLS 分别为有填料管式和有填料螺旋式。低压熔断器有三种结构不同的熔体，一种做为电气线路的过载和短路保护(gG)；另一种作为半导体器件及其成套装置的短路保护(aR)；还可派生为电动机短路保护(aM)。熔断器选择的原则是：A、根据线路要求和安装条件选择熔断器的型号。容量小的电路选择半封闭式或无填料封闭式；短路电流大的选择有填料封闭式；半导体元件保护选择快速熔断器。B、根据负载特性选择熔断器的额定电流。C、选择各级熔体需相互配合，后一级要比前一级小，总闸和各分支线路上电流不一样，选择熔丝也不一样。D、根据线路电压选择熔断器的额定电压。E、交流异步电机保护熔体电流不能选择太小（建议2~2.5倍电机的额定电流）。如选择过小，易出现一相熔断器熔断后，造成电机缺相运转而烧坏，必须配套热继电器作过载保护。注意：熔断器电流包括两方面，一是熔断器安装熔断体的座子、壳架的额定电流，另一是熔断体的额定电流，二者不可混淆。这一点跟断路器类似。

4,电动机选择

电动机的功率．应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点：(1＞如果电动机功率选得过小．就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载．使其绝缘因发热而损坏．甚至电动机被烧毁。(2)如果电动机功率选得过大．就会出现“大马拉小车”现象．其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高(见表)，不但对用户和电网不利。而且还会造成电能浪费。要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较：(1)

对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(即生产机械轴上的功率)Pl(kw)．可按下式计算所需电动机的功率P(kw)：P=P1/n1n2式中n1为生产机械的效率；n2为电动机的效率。即传动效率。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此．所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。例：某生产机械的功率为3．95kw．机械效率为70％、如果选用效率为0．8的电动机，试求该电动机的功率应为多少kw?解:P=P1/ n1n2=3.95/0.7*0.8=7.1kw由于没有7．1kw这—规格．所以选用7．5kw的电动机。(2)短时工作定额的电动机．与功率相同的连续工作定额的电动机相比．最大转矩大，重量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电动机。(3)对于断续工作定额的电动机，其功率的选择、要根据负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电动机。负载持续串Fs％的计算公式为FS％＝tg/(tg+to)×100％式中tg为工作时间，t。为停止时间min；tg十to为工作周期时间min。此外．也可用类比法来选择电动机的功率。所谓类比法。就是与类似生产机械所用电动机的功率进行对比。具体做法是：了解本单位或附近其他单位的类似生产机械使用多大功率的电动机，然后选用相近功率的电动机进行试车。试车的目的是验证所选电动机与生产机械是否匹配。验证的方法是：使电动机带动生产机械运转，用钳形电流表测量电动机的工作电流，将测得的电流与该电动机铭牌上标出的额定电流进行对比。如果电功机的实际工作电流与铭脾上标出的额定电流上下相差不大．则表明所选电动机的功率合适。如果电动机的实际工作电流比铭牌上标出的额定电流低70％左右．则表明电动机的功率选得过大(即“大马拉小车”应调换功率较小的电动机。如果测得的电动机工作电流比铭牌上标出的额定电流大40％以上．则表明电动机的功率选得过小(即"小马拉大车")，应调换功率较大的电动机.

4 软件设计

4.1程序流程图

,单周期

下降

机械手松开

机械手夹紧

机械手上升

机械手左行

机械手下降

机械手松开

机械手上升

机械手右行

单周期运行

4.2梯形图