河南机电高等专科学校课程设计报告书
课程名称:《PLC技术与工程应用》
课题名称:机械手电气控制系统设计
系部名称:自动控制系
专业班级:计控102班
**:**
学号:*********
2012年06月20日
目录
目录 (1
1、引言 (4
2、系统总体设计要求 (6
3、系统方案设计 (6
4、上位监控系统设计 (12
5、程序调试 (14
5.1 调试设备 (14
5.2 遇到的问题与解决方法 (14
6、心得体会 (15
附录1 参考文献 (16
附录2 程序清单 (16
1、引言
在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等,已经随处可见。同时,现代生产中,存在着各种各样的生产环境,如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等,这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术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。,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。
机械手的种类,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的附加装置,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,一般没有独立的控制装置。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的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
随着人类的发展、文明的进步,工业正不断发展着,需要人们完成的工作量也不断增大(尤其是那种重复性大的工作,像传运货物,涉及到危险性的工作也日趋增多,这就迫使人们研究开发一种新装置,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的一种装置,而机械手正是这样一种装置: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。
2、系统总体设计要求
设计目的:
1、学习PLC电气控制系统的开发过程和系统设计思路;
2、锻炼实际应用程序开发能力;
3、提高电气制图、流程图绘制及办公文档编辑能力。
设计要求:
1.基本要求:
●设置机械手复位按钮
机械手每次的工件输送过程,都应该从初始位置开始。定义右转到位、上行到位、退回到位及手指张开到位同时满足时为机械手初始位置。
开机运行时,机械手应该首先自动回到初始位置;若遇到特殊情况,机械手停在非初始位置,按下复位按钮即可实现复位。
●设置单步/连续切换开关
在单步模式下
按下启动按钮(若机械手处于初始位置,则开始运行;否则,按下复位键,使机械手复位→伸出→下行→手指夹紧→上行→左转→下行→手指张开→上行→退回→左行→停止
注:以上连贯动作实现时,某些动作(见上述动作字体加粗部分可以同时进行。在连续模式下
按下启动按钮,上述动作依次发生,但回到初始位置之后,继续下一个工件的传输过程。
连续模式下,按下停止按钮,待本次工件传输工作结束后,停止运行。
2.提高要求
i编制四个驱动电机的保护程序。要求自动检测电机是否处于堵转状
态。若电机处于堵转状态,应立即停止系统工作,并点亮故障报警灯;
故障排除后,按下复位按钮,故障报警灯熄灭;
ii连续运行模式下,统计传输工件的个数,存储于PLC的V型数据区,
以备组态监控使用,也可用状态表监视其状态变化。
3. 高级要求
利用上位机组态软件组态监控画面,或利用触摸屏组态监控画面,监控机械手的生产过程。
3、系统方案设计
3.1 概述
机械手是工业生产过程中常见的自动化设备,它具有工件的自动取拿、移动和输送功能。机械手机构控制涉及了PLC、传感器、电机驱动等技术。
机械手实验设备如图1所示。该设备可以实现手臂的左右摆动、伸出与退回、上下移动、机械手指的夹紧与张开等四自由度动作。
图1. 机械手实验设备
3.1.1 输出驱动单元
该设备四自由度动作由四台直流电动机驱动,每台电动机可进行正反转运行。左右摆动由齿轮组啮合实现减速传动;伸出与退回、上下移动由直流减速电机驱动丝杠--螺母结构完成;机械手指的夹紧与张开由直流减速电机驱动连杆结构实现。该设备共有8个动作,由控制器输出信号驱动。
3.1.2输入检测单元
每个自由度运行极限位置设置了两个行程开关,用于判断当前动作是否到位。该设备共有8个行程开关作为控制器的输入信号。
3.1.3接口电路介绍
机械手实验设备既是所谓控制对象,对于一般工业控制,其控制核心使用可编程控制器(PLC。设计输入输出接口电路 (如图2所示 的目的是为解决机械手设备输出驱动单元、输入检测单元与PLC之间的信号接口问题。图中上层电路板是驱动电路板,下层电路板左侧是输入接口电路板,右侧是输出接口电路板。
图2. 输入输出接口电路板
3.1.4输入接口电路板
输入接口电路板原理图如图3所示,其功能是将设备上行程开关的开关状态转换为统一的电平信号(逻辑1:24V DC ;逻辑0:0V DC。板上设有光电隔离电路,将内外电源隔离,以保护设备安全。
图3. 输入接口电路板电气原理图
本设备8个输入信号,对应输入接口电路板的8根输入信号线。各信号线对应的行程开关如表1所示。
表1. 输入信号线与行程开关对应关系表
输入信号线序号 (自左到右
对应行程开关 备 注 1 左转到位 2 右转到位 3 退回到位 4 伸出到位 5 上移到位 6 下移到位 7 手指张开到位 8
手指夹紧到位
3.1.5 输出接口
输出接口(如图4所示由两块电路板构成:驱动电路板和输出接口电路板。它们的功能是将PLC 输出的控制信号用于驱动继电器动作,从而控制电动机正向或反向运行。输出接口电路板上也设有光电隔离电路,可将内外电源隔离。
左图为驱动电路板电气原理图,继电器A 吸合、B 释放,对应的电机正转;继电器A 释放、B 吸合,对应的电机反转;继电器A 、B 同时释放,电机停止运行;不允许二者都吸合。右图为输出接口电路板电气原理图,当PLC 输出的某路控制信号有效时,对应的输出信号有效,从而可以使得对应的继电器吸合。
图4. 输出接口电路电气原理图
(左图为驱动电路板,右图为输出接口电路板
本设备有8个输出控制信号,对应输出接口电路板的8根输出信号线。各输出信号线对应的电动机动作关系如表2所示。
表2. 输出信号线与电动机动作对应关系表
输出信号线序号
对应电动机备注
(自左到右
1 摆动电机左转
2 摆动电机右转
3 水平电机伸出
4 水平电机退回
5 垂直电机上移
6 垂直电机下移
7 手指电机张开
8 手指电机夹紧
3.1.6 系统组成图
图5、机械手电气控制系统总组成图
在计算机利用STP—7软件进行程序的编写,通过通讯线将程序下载到S7—200PLC中, PLC的输入输出与机械手的输入输出相连,程序下载成功后,拨动相应的开关机械手即可做出相应的操作,在计算机中可以进行对程序的监控。
3.2 有关机械手的I/O系统变量定义及分配表
表3机械手的输入点分配表
名称输入点编号说明
左限开关I0.0 左转到位开关
右限开关I0.1 右转到位开关后限开关I0.2 退回到位开关前限开关I0.3 伸出到位开关上行开关I0.4 上行到位开关下行开关I0.5 下行到位开关张开开关I0.6 张开到位开关夹紧开关I0.7 手指夹紧到位
表4机械手的输出点分配表
名称输出点编号说明
电机左转Q0.0 电机左转
电机右转Q0.1 电机右转
电机后退Q0.2 电机后退
电机前行Q0.3 电机前行
电机上移Q0.4 电机上移
电机下移Q0.5 电机下移
手指电机张开Q0.6 手指电机张开手指电机夹紧Q0.7 手指电机夹紧3.3 系统接线图设计
图6、机械手控制系统的接线图
3.4流程图
复位键(调用子程
序
子程序1
右转到位
上行到位
后退到位手抓张开到位
启动按钮启
动
单步
单步/连续
连续
I1.2产生脉冲
I1.2一直闭合
伸出下行手指夹紧到位上行左转下行后退
I1.2产生脉冲
手指张开上行左转到位到位到位到位
到位M0.0置1SM0.1
停止按钮I1.1停止
单周期按钮I1.4
到位
AC0自加1
AC0送0
AC0送至VW0
状态表读VW0
机械手程序的简要说明:
(1、拨动I1.2产生脉冲机械手可以产生单步运作, 在单步模式下按下启动按钮(若机械手处于初始位置,则开始运行;否则,按下复位键,使机械手复位→伸出→下行→手指夹紧→上行→左转→下行→手指张开→上行→退回→左行→停止
(2、将I1.2拨到闭合位置机械手连续模式运作,在连续模式下按下启动按钮,上述动作依次发生,但回到初始位置之后,继续下一个工件的传输过程。连续模式下,按下停止按钮,待本次工件传输工作结束后,停止运行。I1.4可以实现单周期和多周期的切换。
(3、程序下载成功后,拨动启动按钮I1.0机械手进行自动复位,若机械手在运作过程中发生停止按复位按钮I1.3可以进行机械手的复位。
4、上位监控系统设计
本实验所采用上位监控系统是基于计算机的上STEP 7Micro WIN软件,而进行对程序和设备的系统内部的监控,主要的过程如下:
1.熟悉STEP 7Micro WIN软件的编程环境、编程方法和用STEP 7Micro WIN软
件编写上位机监控系统的程序。
2.根据课目设计要求,编写程序。
3.对系统进行调试和I/O地址的分配、标释。
4.运行机械手设备,打开上位机上的监控系统,观察课目设计程序,并监控机
械手设备是否正常情况下工作。
5.对设备工作中的不足进行修改,重新进行观察
图7、机械手程序监控实图
图8、机械手未计数时状态
图9、机械手运转一周时状态
5、程序调试
5.1 调试设备
首先在电脑的STEP-7-Micro /WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中,然后点击运行并对其指出的错误进行修改,修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中;其次按照设计的要求接好线,确定无误后按下启动按钮。启动后发现程序并不能按照实验要求的步骤进行运行,甚至没有可运行的迹象,这样起初设计的单步程序和连续运行程序就失败了,也就不符合设计中的要求动作依次有序进行操作的要求,所以务必要对其进行修正。这种情况下我采取了以下方案:
方案一:在没有确定设备是否存在问题的情况下,首先我们对设备进行了检测,发现不存
在任何问题,在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误,结果发现和以前的运行结果一样。这样方案一就以失败而告终。
方案二:经过老师的指点我才明白是最初的程序均是单独的互不连接的,未经子程序进行调用,因此就更不用提程序能连续运行了。于是我这次选择了利用顺序功能图进行编程,摒弃了之前的程序,经过对程序的一改再改之后,又一次对程序进行了调试并下载到可编程控制器中进行模拟检测,结果仍然取得了不尽如人意的结果。于是就再去请教指导老师,经过一番指导终于小有成果,可以使机械手进行预定步骤的动作的演示,所以此方案成功了。
5.2 遇到的问题与解决方法
1、问题:“怎样使机械手的工作状态清晰而简单呈现出来?”
法案:“采用功能图进行程序的编写与调试。”
2、问题:“如何解决机械手的动作单步运行?”
法案:“使用I1.2进行单步与连续之间的切换。”
3、问题:“如何解决对工件数目的计数?
法案:“进行标志位设置,使用传送指令、加数指令、上沿触发指令,以循环动作的最后一步限位开关闭合作为触发进行加数,把所得加数和送给VB0.
6、心得体会
机械臂的PLC控制课程设计是自动化课程当中一个重要环节通过了2周的课程设计使我对课程设计过程有进一步了解,对自动化产品的有关的控制知识有
了深刻的认识。
此次设计是在张士磊老师的悉心指导下完成的。老师为设计课题的研究提出了许多指导性的意见,为课程设计的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。张士磊老师的严谨治学、不断探索的科研作风,敏锐深邃的学术洞察力,孜孜不倦的敬业精神,给我留下了深刻的印象,使我受益良多。在本文结束之际,特向我敬爱的老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢!
通过此次设计,一方面让我认识到自己的不足,发现了学习中的错误之处;另一方面又积累丰富的知识,吸取别人好的方法和经验,增强对复杂问题的解决能力,摸索出一套解决综合问题的方法,为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。再一方面也加强了我和老师的交流,认识到知识的渊博度。
因为理论知识学的不牢固,在设计遇到了不少问题,如:遗忘以前学过的专业基础知识。通过理论与实际的结合,进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力,以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果,把理论运用于实际,使理论得以提升,形成创新思想。通过此次设计过程,巩固了专业基础知识,培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的
能力,在设计的过程中还培养出了我们的团队精神,为今后的学习和工作过程打下基础。
经过这次的努力,使我顺利的完成了此次课程设计。这份课程设计既是对这学期所学知识的总结,又是自己知识的积累,也大大加深了对可编程控制器技术的了解。
课程设计中既动脑又动手,是一个理论与实际结合的过程。仅仅有理论是不够的,更重要的是实际的,是我们所设计的实物,具有设计合理,经济实用的优点。这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密,不能有丝毫的大意。对设计方案的优越化,也需要我们综合各方面的因素考虑,尤其是实际。再次向教育指
导我的老师及同学表示诚挚的感谢!
鉴于本人所学知识有限,经验不足,又是初次研究这种复杂的设计,在此过程中难免存在一些错误和不足之处,恳请老师给予批评和指正。
附录1 参考文献
[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术(第二版.北京:北京航空航天大学出版社,
2008.
[2]西门子公司. SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.2004.6
[3]姚永刚。电机与控制技术.北京:中国铁道出版社.2010
[4] 朱献清郑静.电气制图.北京:机械工业出版社 .2012
[5] 王永华.现场总线技术及应用教程.北京:机械工业出版社,2006
[6] 西门子公司.MICROMASTER 用户手册。2004
附录2 程序清单
主程序
子程序0
子程序1
《PLC 技术与工程应用》课程设计报告书 符号表 21
《PLC 技术与工程应用》课程设计报告书 22
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容