基于PLC的机械手臂控制课程设计样本.docx

课程设计阐明书

课 程 名 称:电气控制PLC课程设计
课 程 代 码： XXXXXXXX
题 目:基于PLC机械手控制系统
学 生 姓 名： X X
学 号： XXXXXXXXXXXXX
年级/专业/班：XXXX级电气自动化X班
学院(直属系) ： XXXXXXX学院
指 导 教 师： X X

学院名称： XXXXXX 专业： XXX 年级： 级
机械手控制系统设计
一、 选题背景及题目来源
工业实际项目，可在天科TKPLC-A实验装置机械手装置模仿控制实验区完毕本模仿实验。
二、训练目
（1）通过使用各基本指令，进一步熟悉掌握PLC编程和程序调试；
（2）学会绘制电气原理图及接线图；
（3）选取电气元器件；
（4）完毕系统硬件和软件设计；
（5）完毕模仿实验；
（6）编写技术文献。
三、规定实现功能
启动机械手，将物体从A处移动到B处，机械手将完毕原位、下降、抓取、上升、右移、下降、放松、上升、左移、循环或者回到原位动作过程。在执行动作时由限位开关对机械手位置进行控制，并且由双线圈二位电磁阀推动气缸完毕。提出改进方案：在机械手夹紧过程进行探究，增长压力传感器用于机械手爪压力并进行反馈控制；增长超声波传感器检测物体与否滑落。当物体浮现滑落或操作错误时发出报警等。
四、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件计算机一台
2、天科TKPLC-A实验装置
3、机械手模块
五、设计任务
（1）依照控制规定分析控制及动作过程，设计硬件系统；
（2）绘制电气原理图及PLC I/O接线图；
（3）设计软件系统；
（4）构成控制系统；
（5）进行系统调试，实现（三）所规定控制功能，完毕模仿实验。
（6）撰写课程设计阐明书。
六、参照资料
1、天科TKPLC-A实验装置实验手册
2、《S7-200可编程序控制器手册》，西门子技术服务中心，四川省机械研究设计院，.9
3、《当代电器控制及PLC应用技术》第2版，王永华，北京航空航天大学出版社
指引教师： XX 签名日期： 年 06 月 1日

摘要
可编程控制器是一种以微解决器为核心工业控制装置。它采用了可编程序存储器，可以再其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定期器、计数器和算术运算等操作指令，并通过数字式、模仿式输入输出，控制各种类型设备或生产过程。可编程控制器构造简朴、操作以便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，应用范畴广。
本课题设计了机械手控制系统。重要应用于机床加工工件装卸，装配印制板电路板，组装零部件；劳动条件较差，危险等场合。采用西门子公司S7-200系列，CPU224型PLC进行实验，运用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程，并通过TKPLC-A型可编程控制器实验箱机械手装置模仿控制实验区完毕本模仿实验。重要功能是循环地将物件从A地运往B地。为了使动作操作更加精确，加入压力传感器、超声波传感器，进行检测改进。该装置涵盖了可编程控制技术、位置控制技术、检测技术等。由PLC接受来自外部输入信号（涉及开关机、限位指令、传感器信号指令等），并控制双线圈二位电磁阀来控制机械手夹紧和松开。在设计过程中，涉及流程图、原理图、主电路图。
核心词：PLC、机械手、传感器、检测技术

目录
引言 1
第1章 机械手控制系统方案设计 2
1.1方案设计原则 2
1.2 系统的整体设计要求 2
1.3控制系统的设计 3
1.3.1 继电器控制系统 3
1.3.2 单片机控制 3
1.3.3 工业控制计算机控制 3
1.3.4 可编程序控制器控制 4
第2章 机械手控制系统的硬件设计 5
2.1 硬件选型 5
2.1.1 PLC 机型选择 5
2.1.2 PLC 容量选择 6
2.1.3 I/O 模块的选择 6
2.1.4 电源模块的选择 7
2.2 机械手的基本构造及PLC I/O点分配 8
2.2.1 系统组成 8
2.2.2 执行机构 9
2.2.3、机械手PLC的模拟实验面板 11
2.2.4 机械手PLC的I/O分配 12
2.3 主电路的设计 13
2.3.1 机械结构和控制要求 13
2.3.2 主电路图的设计 13
第3章 机械手控制系统的软件设计 14
3.1程序设计的一般方法 14
3.1.1 经验设计法 15
3.1.2 逻辑设计法 15
3.1.3 顺序设计法 15
3.2 PLC 控制的相关流程图 16
3.2.1 控制流程图 16
3.3 可编程控制器梯形图 17
3.3.1可编程控制器梯形图简介 17
3.3.2 相关程序段 17
3.3.3 改进方案设计 20
第4章 系统调试 24
结论 29
设计总结 30
谢辞 31
参考文献 32
附件1 33
附件2 34

引言
为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代规定，产品生产正向缩短生产周期、减少成本、提高生产质量等方向发展。在炼油、化工、制药等行业中，各种液体混合是必不可少工序，并且也是其生产过程中十分重要构成某些。但是由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性介质，以至现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。此外，生产规定该系统要具备混合精准、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现。所觉得了协助有关行业，特别是中小型公司实现物件搬运自动控制，机械手自动控制势必是摆在咱们眼前一大课题，借助实验室设备熟悉工业生产中PLC 应用，理解不同公司可编程控制器型号和原理，熟悉其编程方式，而机械手控制更常用于工业生产中，几乎大某些工厂都离不开机械手，其应用领域广。
计算机浮现给大规模工业自动化带来了曙光。1968 年，美国最大汽车制造厂商通用汽车（GM）公司提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用计算机技术与继电器便于使用特点相结合，把计算机编程办法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题“自然语言”编程，生产一种新型工业通用继电器，使人们不必耗费大量精力进行计算机编程，也能像继电器那样以便使用。这个方案一方面得到了美国数字设备（DEC）公司积极响应，并中标。该公司于1969 年研制出了第一台符合招标规定工业控制器，命名为可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER），简称PLC（有称为PC),并在GM 公司汽车自动装配线上实验获得了成功。
PLC 一经浮现，由于它自动化限度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特长处，备受国内外技术人员和工商业界厂商极大关注，生产PLC厂商云起。随着大规模集成电路和微解决器在PLC 中应用，使PLC 功能不断得到增强，产品得到飞速发展。
采用基于 PLC 控制系统来取代园林单片机、继电器等构成控制系统，采用模块化构造，具备良好可移植性和可维护性，对提高公司生产和管理自动水平有很大协助，同步又提高了生产线效率、使用寿命和质量，减少了公司产品质量波动，因而具备辽阔是市场前景。用PLC 进行开关量控制实例诸多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要它，例如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、机械手系统、生产流水线等方面逻辑控制，都广泛应用PLC 来取代老式继电器控制。本次设计是将PLC 用于机械手设计控制，对学习与实用是较好结合。
第1章 机械手控制系统方案设计
1.1方案设计原则
整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运营和保护检修服务，设计编号按照国家关于电气自动化工程设计中电气设备惯用基本图形符号（GB4728）及其她有关原则和规范编写。任何一种控制系统都是为了实现被控对象工艺规定，以提高生产效率和产品质量。因而，在设计PLC控制系统时，应遵循如下基本原则：
(1) 最大限度地满足被控对象控制规定；(2) 保证PLC控制系统安全可靠；(3) 力求简朴、经济、使用及维修以便；(4) 适应发展需要
对于本课题来说，机械手抓动作过程和抓取物件控制与升级，控制装置需要依照公司设备和工艺现况来构成并需尽量运用旧系统中元器件。对于人机交互方式改造后系统操作模式应尽量和改造前相类似，以便于操作人员迅速掌握。要实现整个机械手控制系统设计，需要从如何实现各种电磁阀开关以及电动机启动控制这个角度去考虑，当前就这个问题如何实现以及选取如何办法来拟定系统方案。
1.2 系统整体设计规定
在该机械手控制系统中，需要完毕抓取、移动、放松、回到原位等功能，控制规定如下： 机械手动作流程图

1、下降抓取物体过程：按下启动开关，机械手下降，当下降到位时，闭合下限位开关SQ1，机械手停止下降，机械手抓紧物体，并持续夹紧动作。
2、上升移动过程：机械手夹紧物体，上升到位时，闭合上限位开关SQ2，机械手停止上升，并保持夹紧动作。
3、右移过程：持续夹紧物体，向右移动，当右移到位时，闭合右限位开关SQ3，机械手停止右移。
4、下降放松过程：机械手持续夹紧物体，下降到位时闭合下限位开关，机械手停止下降。此时，放松放下物体。
5、回到原位过程：放下物体后，机械手回升，当回升到位时，闭合上限位开关，机械手停止回升，并向左移动，当左移到位时，闭合左限位开关，机械手停止左移。
6、循环过程：在不出意外，正常运营状况下，循环以上过程。
1.3控制系统设计
就当前现状有如下几种控制方式满足系统规定：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程控制器控制。本系统设计咱们采用可编程控制器控制。
1.3.1 继电器控制系统
控制功能是用硬件继电器实现。继电器串接在控制电路中依照主电路中电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统正常运营，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器自身价格不太贵，但是控制柜安装接线工作量大，因而整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。
1.3.2 单片机控制
单片机作为一种超大规模集成电路，机构上涉及CPU、存储器、定期器和各种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强控制功能，成为功控领域、尖端武器、寻常生活中最广泛计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O 信号相连。要将它用于工业控制还要附加某些配套集成电路和I/O 接口电路，硬件设计、制作和程序设计工作量相称大。
1.3.3 工业控制计算机控制
工控机采用总线构造，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统支持，在规定迅速、实用性强、功能复杂领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O 接线普通都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。
1.3.4 可编程序控制器控制
可编程控制器配备各种硬件装置供顾客选取，顾客不用自己设计和制作硬件装置，只须拟定可编程序控制器硬件配制和设计外部接线图，同步采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中触点和接线，通过修改程序适应工艺条件变化。程控制器(PLC)从上个世纪70 年代发展起来一种新型工业控制系统，起初它重要是针对开关量进行逻辑控制一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着30 近年来微电子技术不断发展，PLC 也通过不断升级换代大大增强了其功能。当前PLC 已经发展成为不但具备逻辑控制功能、还具备过程控制功能、运动控制功能和数据解决功能、连网通讯功能等各种性能，是名符其实多功能控制器。由PLC 为主构成控制系统具备可靠性高、控制功能强大、性价比高等长处，是当前工业自动化首选控制装置。
1、开关量逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛应用领域，它取代老式继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
2、运动控制
PLC可用于圆周运动或直线运动控制，世界上各重要PLC厂家产品几乎均有运动控制功能。
3、闭环过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模仿量闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样控制算法程序，完毕闭环控制。PID调节是普通闭环控制系统中用得较多调节办法。
4、数据解决
当代PLC具备数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完毕数据采集、分析及解决。
5、通信及联网
PLC通信含PLC间通信及PLC与其他智能设备间通信。随着计算机控制发展，工厂自动化网络发展得不久，各PLC 厂商都十分注重PLC 通信功能，纷纷推出各自网络系统。新近生产PLC 都具备通信接口，通信非常以便。依照本控制系统控制规定应当选取可编程序控制器控制。
综上所述，由于PLC为主构成控制系统具备可靠性高、控制功能强大、性价比高，是当前工业自动化首选控制装置。故选取PLC来实行本次设计。
第2章 机械手控制系统硬件设计
2.1 硬件选型
2.1.1 PLC 机型选取
机型选取基本原则是在满足控制功能规定前提下，保证系统工作可靠、维护使用以便及最佳性能价格比。详细应考虑因素如下所述：
1．构造合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小场合，选用整体式构造PLC；否则，选用模块式构造PLC，物料混合控制系统设计选用整体式构造PLC 可以达到规定。
2．功能强、弱恰当
对于开关量控制工程项目，若控制速度规定不高，普通选用低档PLC，西门子公司S7-200 系列机或欧姆龙公司COM1。
3．机型统一
PLC 构造分为整体式和模块式两种。整体式构造把PLC I/O 和CPU 放在一块印刷电路板上，并封装在一种壳体内，省去了插接环节，因而体积小、价格便宜。但由于整体式构造PLC 功能有限，只合用于控制规定比较简朴系统。普通大型控制系统都使用模块式构造，这样功能易扩展，比整体式灵活。一种大型公司选用PLC 时，尽量要做到机型统一。由于同一机型PLC，其模块可互为备用，以便备件采购和管理；此外，功能及编程办法统一，有助于技术人员培训；其外部设备通用也有助于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统多台PLC 联成一种多级分布式控制互相通信，集中协调管理。物料混合控制系统控制规定比较简朴选取整体式构造PLC。
4．与否在线编程
PLC 特点之一是使用灵活。当被控设备工艺过程变化时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新控制规定，给生产带来很大以便。PLC 编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。
5．PLC 环境适应性
由于PLC 是直接用于工业控制工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种PLC 均有自己环境技术条件，顾客在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分考虑。普通PLC及其外部电路（I/O 模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：
温度：工作温度0～55℃，最高为60℃
储存温度： -40℃～＋85℃
湿度：相对湿度5%～95%(无凝结霜)
振动和冲击： 满足国际电工委员会原则
电源：交流220V，容许变化范畴为-15%～＋15%，频率为47～53Hz
瞬间停电保持l0ms
环境：周边空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体
对于需要应用在特殊环境下PLC，要依照详细状况进行合理选取。
2.1.2 PLC 容量选取
PLC 容量涉及两个方面：一是I/O 点数；二是顾客存储器容量（字数）。PLC 容量选取除满足控制规定外，还应留有恰当裕量，以做备用。依照经验，在选取存储容量时，普通按实际需要10%～25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O 乘以8；对于有模仿量控制功能PLC，所需存储器字数为模仿内存单元数乘以100。普通，一条逻辑指令占用存储器一种字。计时、计数、移位及算术运算、数据传播等指令占用存储器两个字。各种指令占存储器字数可查阅PLC 产品使用手册。
I/O 点数也应留有恰当裕量。由于当前I/O 点数较多PLC 价格也较高，若备用I/O 点数量太多，将使成本增长。依照被控对象输入信号和输出信号总点数，并考虑到此后调节和扩充，普通I/O 点数按实际需要10%～15%考虑备用量。
2.1.3 I/O 模块选取
PLC 是一种工业控制系统，它控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程联系是通过I/O 接口模块可以检测被控生产过程各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制根据。同步控制器又通过I/O 接口模块将控制器解决成果送给工业生产过程中被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备或生产过程中信号电平各种各样，各种机构所需信息电平也是各种各样，而PLC CPU 所解决信息只能是原则电平，因此I/O 接口模块还需实现这种转换。PLC 从现场收集信息及输出给外部设备控制信号都需通过一定距离。为了保证这些信息对的无误，PLC I/O 接口模块都具备较好抗干扰能力。依照实际需要，PLC 相应有许各种I/O 接口模块，涉及开关量输入模块、开关量输出模块、模仿量输入模块及模仿量输出模块，可以依照实际需要进行选取使用。
1．拟定I/O 点数
I/O 点数拟定要充分考虑到裕量，能以便地对功能进行扩展。对一种控制对象，由于采用不同控制办法或编程水平不同样，I/O 点数就也许有所不同。
2．开关量I/O
原则I/O 接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如批示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传播。典型交流I/O 信号为24～240V（AC），直流I/O 信号为5～24V（DC）。
3．选取开关量输入模块重要从下面两方面考虑：一是依照现场输入信号与PLC 输入模块距离远近来选取电平高低。普通24V 如下属于低电平，其传播距离不适当太远。如12V 电压模块普通不超过10m，距离较远设备选用较高电压模块比较可靠。二是高密度输入模块，如32 点输入模块，能容许同步接通点数取决于输入电压和环境温度。普通同步接通点数不得超过总输入点数60%。
4．选取开关量输出模块时应从如下三个方面来考虑：一是输出方式选取。输出模块有三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。二是输出电流选取。模块输出电流必要不不大于负载电流额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增长中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够余量。三是容许同步接通输出点数。在选用输出点数时，不但要核算一种输出点驱动能力，还要核算整个输出模块满负荷负载能力，即输出模块同步接通点数总电流值不得超过模块规定最大容许电流值。
2.1.4 电源模块选取
电源模块选取普通只需考虑输出电流。电源模块额定输出电流必要不不大于解决器模块、I/O 模块、专用模块等消耗电流总和。如下环节为选取电源普通规则：
1．拟定电源输入电压；
2．将框架中每块I/O 模块所需总背板电流相加，计算出I/O 模块所需总背板电流值；
3．I/O 模块所需总背板电流值再加上如下各电流：
1） 框架中带有解决器时，则加上解决器最大电流值；
2） 当框架中带有远程适配器模块或扩展本地 I/O 适配器模块时，应加上其最大电流值。
4．如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做如下解决；
1） 列出将来要扩展 I/O 模块所需背板电流；
2） 将所有扩展 I/O 模块总背板电流值与环节。
5．在框架中与否有用于电源空槽，否则将电源装到框架外面。
6．依照拟定好输入电压规定和所需总背板电流值，从顾客手册中选取合
适电源模块。
详细应考随着 PLC 技术发展，PLC 产品种类越来越多，并且功能也日益
完善。PLC 种类繁多，其构造、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各
有不同，固然使用场合也有所不同。因而选取合理PLC 对提高PLC 控制系统技
术经济指标意义重大。
因而在选取机型时不但要满足其功能规定及维护等方面虑：
1）合理构造形式
2）安装方式选取
3）相称功能规定
4）系统可靠性规定
综上所述，依照控制系统规定选取 S7-200系列PLC，S7-200系列PLC属于小型整体式构造PLC，本机自带RS485通信接口，内置电源和I/O 接口，它构造小巧，运营速度快，可靠性高，具备极其丰富指令系统和扩展模块，实时性和通信能力强大，便于操作，易于掌握，性价比高，是中小规模控制系统抱负控制设备。

2.2 机械手基本构造及PLC I/O点分派
2.2.1 系统构成
机械手重要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所构成，各系统互相之间关系如方框图2-1所示。

图2-1 机械手控制系统关系框图
2.2.2 执行机构
涉及手部、手腕、手臂和立柱等部件，有还增设行走机构。机械手各某些构成列表2-1。实物图如图2-2，各某些简化构造如图2-3所示。
执行机构
手部
驱动系统
动力源
手腕
控制调节装置
手臂
辅助装置
立柱
控制系统
程序控制系统
行走机构
定位控制系统
机座
位置检测装置
表2-1 机械手各某些构成列表

图2-2 实物图 图2-3 各某些构造图
（1）机座
机座是机械手基本某些，机械手执行机构各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接作用。

（2）立柱
立柱是支撑手臂部件，立柱也可以是手臂一某些，手臂回转运动和升降运动均与立柱有密切联系。机械手立柱普通为固定不动，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称可移式立柱。

（3）手臂
手臂是支撑被抓物件、手部、手腕重要部件。手臂作用是带动手指去抓取物件，并按预定规定将其搬运到指定位置。工业机械手手臂普通由驱动手取物件，并按预定规定将其搬运到指定位置。工业机械手手臂普通由驱动手臂运动部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂各种运动。

（4）手腕
手腕式连接手部和手臂部件，并可用调节被抓去物件方位。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线转动，都需要有导向装置，以保证手指按对的方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所手弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转勇董事在启动、制动瞬间产生惯性力矩，使运动部件受力状态简朴。

（5）手部
手部即与不加接触部件。由于与物件接触形式不同，可分为加持是和吸附式手部。夹持式手部由手指和传动机构所构成。手指是与物件直接接触构件，惯用手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指构造简朴，制造容易，故应用较为广泛。平移型应用较少，其因素是构造比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心位置，因而适当夹持直径变化范畴大工件。手指构造取决于被抓去物件表面形状、被抓部位和物件重量及尺寸。

（6）行走机构
当工业机械手需要完毕胶原距离操作，或扩大使用范畴时，可在机座上安装滚动、轨道灯行走机构，以实现工业机械手整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨和无轨两种。驱动滚动运营则应此外增设机械传动装置。

2.2.3、机械手PLC模仿实验面板
图中启动、停止用动断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模仿，电磁阀原位批示灯用发光二极管来模仿。

2.2.4 机械手PLCI/O分派
1、PLCI/O口接线图：（如下图）

2、通过系统控制功能分析，本设计需要输入点6个，输出点7个。共计13个，详细如下表：
表2-2
输入
接线
SD
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
输出
接线
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
HL
LED
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6

2.3 主电路设计
2.3.1 机械构造和控制规定
模仿实验面板图中为一种将工件由A处传送到B处机械手，上升/下降和左移/右移执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完毕。当某个电磁阀线圈通电，就始终保持既有机械动作，例如一旦下降电磁阀线圈通电，机械手下降，虽然线圈再断电，仍保持既有下降动作状态，直到相反方向线圈通电为止。此外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完毕，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关，它工作过程如图所示，有八个动作，即为：
原位 → 下降 → 夹紧 → 上升 → 右移
↑ ↓
左移 ← 上升 ← 放松 ← 下降
2.3.2 主电路图设计
在咱们分析与讨论过程中，画出主回路原理图如图2-3所示。本次主电路设计运用双线圈二位电磁阀推动气缸完毕。该电路带有短路保护、过载保护、欠压和失压保护等。FU为熔断器实现短路保护，BB热继电器实现过载保护，欠压和失压保护依托接触器自身实现。在控制线路中KM1/KM2、KM3/KM4、KM5/KM6两两之间应设计互锁控制线路如图2-5（别的以此类推）
图2-4 主回路原理图

图2-5 KM1和KM2互锁控制线路

表2-3 机械手工作状态表
接触器
触电
工作状态
KM2、KM4线圈得电
原位批示灯亮
表白机械手工作在原点位置最左边和最上边
KM1线圈得电
主触点闭合
模仿批示灯接通，机械手工作下降位置
KM5线圈得电
主触点闭合
模仿批示灯接通，机械手工作在夹紧位置
KM2线圈得电
主触点闭合
模仿批示灯接通，机械手工作在上升位置
KM3线圈得电
主触点闭合
模仿批示灯接通，机械手工作在右移位置
KM4线圈得电
主触点闭合
模仿批示灯接通，机械手工作在左移位置
KM6线圈得电
主触点闭合
模仿批示灯接通，机械手工作在放松位置
第3章 机械手控制系统软件设计
3.1程序设计普通办法

3.1.1 经验设计法
经验设计法也叫凑试法。在掌握某些典型控制环节和电路设计基本上，依照被控对象对控制系统详细规定，凭经验进行选取、组合。这种办法对于某些简朴控制系统设计是比较凑效，可以收到迅速、简朴效果。经验设计法详细环节如下：
1．拟定输入/输出电器；
2．拟定输入和输出点个数、选取PLC 机型、进行I/O 分派；
3．做出系统动作工程流程图；
4．选取PLC 指令并编写程序；
5．编写其他控制规定程序；
将各个环节编写程序联系起来，即得到一种满足控制规定程序。

3.1.2 逻辑设计法
继电器、交流接触器触点都只有两种状态即：断开和闭合，因而用“0”和“1”两种取值逻辑代数设计电气控制线路是完全可以。该办法是依照数字电子技术中逻辑设计法进行PLC 程序设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，依照逻辑表达式画出梯形图。

3.1.3 顺序设计法
对那些按动作先后顺序进行控制系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相称长，但程序构造清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要工具。功能图可以清晰地体现出系统各工作步功能、步与步之间转换顺序及其转换条件。
综上所述，本控制系统采用顺序设计法设计。

3.2 PLC 控制有关流程图
3.2.1 控制流程图
机械手控制系统循环过程如下图3-1；机械手系统控制流程如下图3-2

图3-2 机械手控制流程图
3.3 可编程控制器梯形图
3.3.1可编程控制器梯形图简介
原则语言梯形图语言也是咱们最惯用一种语言，它有如下特点
1. 它是一种图形语言，沿用老式控制图中继电器触点、线圈、串联等术语和某些图形符号构成，左右竖线称为左右母线，左边画输入、右边画输出。
2. 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接开关，也可以是PLC内部继电器接点或内部寄存器、计数器等状态。
3. 梯形图中接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
4. 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间成果供CPU 内部使用。
5. PLC 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中成果留在输出状态暂存器中因此输出点值在顾客程序中可以当作条件使用。
梯形图编制采用STEP7—Micro/WIN32软件，STEP7—Micro/WIN32软件是西门子S7-200PLC 开发工具，重要用于开发程序，也可用于实时监控顾客程序执行状态，该软件具备 Windows 应用软件通用界面,易学易用。

3.3.2 有关程序段
1、机械手原位程序

2、下限位批示灯显示

3、移位脉冲：当I0.0=1时，产生移位信号；当I0.1=1，停止下降，并产生移位信号，机械手抓取物件，定期器延时1.7s，当下一种移位信号来时，执行上升和保持夹紧动作；I0.2=1，机械手停止上升，同步右移；I0.3=1，机械手停止右移，并执行下降动作；I0.1=1，机械手停止下降，并松开，T38延时1.5s当下一种移位脉冲到来，I0.1=0，机械手又上升；I0.2=1，机械手停止上升；I0.3断开，左移；I0.4=1,机械手停止左移，移位寄存器所有复位；完毕了一种工作周期。

4、T37延时程序，延时1.7s

5、当M20.0=1时，原位只批示灯亮，并闪烁，此时处在待机状态。

6、T38延时程序，延时1.5s

梯形图过程详细分析（完整程序见附件1，语句表见附件2）
1、初始状态 当机械手处在原位时，上升限位开关I0.2、左限位开关I0. 4均处在接通（“1”状态），移位寄存器数据输入端接通，使M10.0置“1”，Q0.5线圈接通，原位批示灯亮。
2、控制过程如下：
（1）按下启动按钮，I0.0置“1”，产生移位信号，M10.0“1”态移至M10.1，下降阀输出继电器Q0.0接通，执行下降动作，由于上升限位开关I0.2断开，M10.0置“0”，原位批示灯灭。
（2）当下降到位时，下限位开关I0.1接通，产生移位信号，M10.0“0”态移位到M10.1，下降阀Q0.0断开，机械手停止下降，M10.1“1”态移到M10.2，M20.0线圈接通，M20.0动合触点闭合，夹紧电磁阀Q0.1接通，执行夹紧动作，同步启动定期器T37，延时1.7秒。
（3）机械手夹紧工件后，T37动合触点接通，产生移位信号，使M10.3置“1”，“0”态移位至M10.2，上升电磁阀I0.2接通，I0.1断开，执行上升动作。由于使用S指令，M20.0线圈具备自保持功能，Q0.1保持接通，机械手继续夹紧工作。
（4）当上升到位时，上限位开关I0.2接通，产生移位信号，“0”态移位至M10.3，Q0.2线圈断开，不再上升，同步移位信号使M10.4置“1”态，I0.4断开，右移阀继电器Q0.3接通，执行右移动作。
（5）待移至右限位开关动作位置，I0.3动合触点接通，产生移位信号，使M10.3“0”态移位到M10.4，Q0.3线圈断开，停止右移，同步M10.4“1”态已移到M10.5，Q0.0线圈再次接通，执行下降动作。
（6）当下降到使I0.1动合触点接通位置，产生移位信号，“0”态移至M10.5，“1”态移至M10.6，Q0.0线圈断开，停止下降，R指令使M20.0复位，Q0.1线圈断开，机械手松开工作；同步T38启动延时1.5秒，T38动合触点接通，产生移位信号，使M10.6变为“0”态，M10.7为“1”态，Q0.2线圈再度接通，I0.1断开，机械手又上升，行至上限位置，I0.2触点接通，M0.7变为“0”态，M11.0为“1”态，Q0.2开，停止上升，Q0.4线圈接通，I0.3断开，左移。
（7）到达左限位开关位置，I0.4触点接通，M11.0为“0”态，M11.1为“1”态，移位寄存器所有复位，Q0.4线圈断开，机械手回到原位，由于I0.2、I0.4均接通，M10.0被置“1”，完毕一种工作周期。
（8）再次按下启动按钮，将重复上述动作。
3.3.3 改进方案设计
一、改进方案
1、当发生操作错误时保持当前状态暂停工作，发出报警，手爪不松开，持续夹紧物体。
2、在机械手爪处增添两个压力传感器（一种安装在横向位置（a），一种安装在纵向位置（b））和超声波，防止在夹取物体时候压力过小或过大（采用PID控制）：

（1）当压力过小时，物体滑落，超声波传感器模块（红外线测距）测定到离物体距离增长，并及时向PLC反馈距离信号，此时PLC接受信号，并对机械手发出夹紧信号，当物体不在移动时，PLC读取压力传感器值，然后保持压力，直至移动到目地。
（2）当压力过大时，纵向位置压力传感器（a+N）检测出物体重量，此时与横向位置（a）压力传感器电压进行对比，反馈回PLC，再由PLC进行解决：（注：N表达一种定值，此值是在重力基本上加上一定值，原理是重力要略不大于提物体力，才干保证物体不下滑）
二、改进所用到硬件
1、两个压力传感器（BF1K-3AA）（如图3-6）；2、一种超声波测距仪模块（HC-SR04）；3、PLC；4、导线及其她机械手部件。

图3-6 压力传感器（BFIK-3AA）实物图 图3-7 超声波测距测距传感器（HC-SR04）实物图

三、改进原理及思路
1、当发生操作错误时保持当前状态暂停工作，发出报警，手爪不松开，持续夹紧物体。
即当操作浮现两个及以上动作：上限位和下限位开关同步闭合时，此时发生错误，则进行报警。此改进仅需要运用PLC编程即可实现，程序如下

2、在机械手爪处增添两个压力传感器和超声波测距仪传感器，进行机械手夹力控制。
一种安装在横向位置（a），一种安装在纵向位置（b）和超声波，防止在夹取物体时候压力过大或过小：
（1）当压力过小时，物体滑落，超声波测距模块测定到离物体距离增长，向PLC反馈距离信号，此时PLC接受信号，并对机械手发出夹紧信号，当物体不再移动时，PLC读取压力传感器值，然后保持压力，直至移动到目地。
（2）当压力过大时，纵向位置压力传感器（a）检测出物体重量， 并通过对易拉罐力控制规律，输出一种适当值（Nx）。（此处需要联系到实际物体重力，表面摩擦因素，及加速时加速度而定这个力大小，需依照实际物体才干计算出。）

四、 实验分析及设计
1、机械手爪受力分析：如下图
图中A为机械手爪处，F1为物件对机械手爪弹力，F2是物件对机械手爪摩擦力；超声波传感器安装位置如图所示，在机械手手掌处。

2、PID反馈控制图（在此只设计出PID控制器大体框图）

3、超声波测距模块
超声波发生器发生器内部有两个压电晶片和一种共振板，当两极外加脉冲信号频率等于压电晶片固有震荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板震动，从而产生超声波；同理，当共振板接受到超声波时，将压迫压电晶片产生振动，将机械能转换为电信号。测距原理如图3-6所示。

图3-6超声波测距原理图

被测距离d=s2-(h/2)2。式中：s为超声波传播距离；h为发射探头与被接受探头之间距离。