简易机械手PLC控制系统设计.doc

毕 业 设 计(论 文)说 明 书
机电工程 系 机电一体化 专业 07级
设计题目∶简易机械手PLC控制系统设计

发题日期∶ 2008年3月10日
设计期限∶自2008年3月10日
至2008年4月15日
答辩日期∶ 2008年4月18日

学生姓名∶SELIROVEN
指导教师∶
目 录
一、 设计任务书
1.1设计题目
1.2设计目的
1.3设计要求
1.4设备的概述
1.5应完成的技术资料
二、 机械手的控制及说明
2.1机械手的控制要求分析
2.2 PLC的选型及I/O口接线图
2.3 PLC的 控制系统程序设计
2.3.1初始化程序的设计
2.3.2手动方式程序
2.3.3回原点方式程序
2.3.4自动方式程序
2.3.5 单步、单周期方式程序
2.3.6 所有程序语句表
三、 调试过程及结果
3.1调试的过程
3.2设计心得
附∶参考文献

一、机械手PLC控制系统
(设计)
一、 设计任务书
1.1设计题目
简易机械手的PLC控制系统设计
1.2设计的目的
1.2.1通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识及基本技能进行分析和解决实际问题的能力。
1.2.2使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。
1.2.3使学生掌握简易机械手的电器工作原理。
1.3设计要求
1.3.1控制要求
图（1）是机械手的工作原理图，这是一个典型的移送工件用的机械手。其工作原点在左上方，工作过程按下降→夹紧→上升→右移→下降→松开→上升→左移→回原点，完成这个工作循环，从而实现把工件从A点移送到B点的目的。
原点

夹紧
放松
左限位 左移
上限位 右移移
上限位 下降 下限位
右限位 下降
上限位 上升 下限位
上升
图（1）机械手运动示意图
机械手具有手动、回原点、自动、单不运行、单周期运行五种工作方式。
A、 手动方式∶用各自的按钮使各个负载单独接通或断开。
B、 回原点∶按下相应的按钮，机械手自动回到原点。
C、 单步运行∶按动一次启动按钮，前进一个工步。此种工作方式适用于系统进行调试或调整过程中。
D、 单周期运行∶在原点位置按启动按钮，自动运行一个工作周期后再在原点停止。若在中途按动停止按钮，则停止运行；在按启动按钮，从断点处继续运行，回到原点处自动停止。
E、 自动方式（连续运行）∶在原点位置按动启动按钮，连续反复运行。若中途按动停止按钮，运行到原点后停止。
1.4设备的概述
1.4.1机械手是模拟人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动机械装置。它可以提高劳动生产效率及自动化水平，同时可以减轻劳动强度，实现安全生产。
简易机械手的工作是将工件从A点移到B点，经过上升、下降、左移、右移、夹紧及松开几个步骤来实现，它具有手动、自动、单步、单周期、
回原点五种工作方式，操作人员可以根据实际不同的需要来选择不同的工作
X5
Y0
Y1
X4
上升
Y2
X7
X6
Y3
A点
B点
右移
左移
下降
夹紧
放松
原点
工件
机械手的工作示意图
方式。下图是机械手的工作示意图
1.4.2设计内容
（1）根据简易机械手的工作过程用PLC实现其控制。
（2）设计电器控制原理图。
（3）进行PLC选型及I/O 口分配。
（4）设计PLC硬件系统。
（5）设计PLC控制程序。
（6）按要求撰写毕业设计说明书。
（7）绘制设计图样。
1.5应完成的技术资料
1.5.1开题报告
1.5.2毕业设计说明书
1.5.3技术资料
a.系统的电气原理图。
b. PLC的I/O接线图。
c.控制程序清单及注释。
1.5.4以上资料应严格按照指导老师的时间安排完成。

二、 机械手的控制及说明
2.1机械手的控制系统要求分析
机械手动作示意图如图1所示。其全部动作由汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀和继电器控制。其中，上升／下降和左移／右移分别由双线圈两位继电器控制。下降继电器线圈通电时，机械手下降；下降继电器线圈断电时，机械手下降停止。只有上升继电器线圈通电时，机械手才上升；上升继电器线圈断电时，机械手上升停止。同样，左移／右移分别由左移继电器和右移继电器控制。机械手的放松／夹紧由一个单线圈(称为夹紧电磁阀)控制。该线圈通电，机械手夹紧；该线圈断电，机械手放松。
2．2工艺过程
机械手的动作过程如图2所示。从原点开始按下启动按钮时，下降继电器线圈通电，机械手开始下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降继电器线圈断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升继电器线圈开始通电，机械手上升；上升到顶时，碰到上限位开关，上升继电器线圈断电，上升停止；同时接通右移继电器，机械手右移，右移到位时，碰到右移极限位开关，右移继电器线圈断电，右移停止。此时，右工作台上无工作，则光电开关接通，下降继电器线圈接通，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关下降继电器线圈断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，放松后，上升继电器线圈通电，机械手上升，上升到极限时碰到极限位开关，上升继电器断电，上升停止；同时接通左移继电器，机械手左移；左移到原点时，碰到左极限开关，左移继电器线圈断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。
2.3 PLC的共有选型及I/O口接线图
根据控制要求共有20个输入和5个输出，共有25个点数，按照设计要求和需要我们选用了三菱FX系列中的FX2-48 MR作为设计主体，其输入与输出接线图及控制面板如图所示：
X15
回原点启动
X5
X4
X6
X7
X21
X22
X8
X23
电源
急停
上升
右移
左移
下降
夹紧
松开
启动
停止
回原点X11
单步运行 X12
单周期X13
自动 X14
手动X10
操作面板示意图

I/O口分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编码
名称
代号
输出点编码
上限位
SQ1
X0
上升
YV1
Y0
下限位
SQ2
X1
下降
YV2
Y1
左限位
SQ3
X2
右移
YV3
Y2
右限位
SQ4
X3
左移
YV4
Y3
下降点
SB1
X4
夹紧
YV5
Y4
上升点
SB2
X5

左移点
SB3
X6

右移点
SB4
X7

启动
SB5
X8

手动操作
SA1-1
X10

回原点
SA1-2
X11

单步
SA1-3
X12

单周期
SA1-4
X13

自动
SA1-5
X14

回原点启动
SB6
X15

全自动
SB7
X16

停止
SB10
X17

夹紧
SB8
X21

放松
SB9
X22

工作检测
ST5
X20

L1
L2
L3
QF
QF
QF
上升/下降
KM1
KM2
左/右移
KM3
KM4
夹紧/放松
KM5
M1

M2
YA4

外围接24V
PLC机械手主电路图
主电路
FR
FV
KM1
KV1
KV2

KV3
KV4
KV5
KM2
KM3
KM4
KM5
220V/380V
外围电路（1）

KV4

外围电路（2）
---- PLC

2．3．1初始化程序设计
在主电路中KM1、KM2、KM3、KM4为继电器，YA4是电磁阀。 当PLC中输出Y0时，KV1 导通同时接触器KM1导通继电器动作，机械手上升；当KM2通电时继电器动作，机械手下降；当KM3导通时继电器动作，机械手右移；当KM4导通时继电器动作，机械手左移；当KM5通电时电磁阀动作，使机械手夹紧或放松，而图中的FV为短路保护，FR为过载保护。M8044特殊辅助继电器作为原点位置条件用，当原点位置条件满足时M8044接通。
1．为了使I ST指令在每个扫描周期内均执行，用PLC“RUN”时ON和M 8000驱动。
2． 使用IST指令时五种工作方式加三种必要的按钮，共八种控制信号：
A手动方式 B回原点方式 C单步方式 D单周期方式 E自动连续方式 F回原点方式 G启动按钮 H停止按钮
3． 使用IST指令后，PLC自动把状态元件S中S0—S2分配给了3大类模式的初始化状态用，且规定S0用于手动，S1用于回原点，S2用于自动/单步/单周期。S10—S19用于回原点程序模块中的状态。因此，指令格式中的S20是用户可以分配给自动/单周期/单步的最小状态号。下图为置初始状态IST指令自动动作的特殊辅助继电器M8040—M8047的动作内容。
M8040是禁止转移用辅助继电器，当M8040=ON时就禁止所有状态转移，手动状态下M8040总是接通的。在原点、单周期运动时按动停止按钮后一直到再按启动按钮的时间内，M8040一直保持ON状态。单步执行时M8040常通，但是再按动启动按钮时，M8040=OFF，使状态可以顺序转移一步。
转移开始特殊辅助继电器M8041是初始状态S2向另一状态转移的转移条件辅助继电器。手动加原点M8041不动作，单步、单周期时，仅在按动启动按钮时动作，自动时按启动按钮后保持为M8041=ON，按停止按钮后M8041=OFF。
启动脉冲辅助继电器M8042是在启动按钮按下时瞬间接通。特殊辅助继电器M8044是原点条件，M8043是回原点结束，这两个元件应由用户程序控制。
2．3．2手动方式程序
手动方式梯形图程序如图所示，S0手动方式的初始状态，手动方式的夹紧、放松及上升、下降是由相应的按钮来控制的。
将选择开关拨到手东方示（X10置1）按启动按钮（X24），S0获得状态，按下降开关X6，下降开始直到碰到下限位开关（X1）下降结束，在按下夹紧开关（X21）夹紧动作开始（Y4置1），按下上升开关（X4）上升动作开始，当动作碰到上限位开关（X0）上升结束；按下右移开关（X7）右移动作开始，直到碰到右限位开关（X3）动作结束；按左移开关（X6）动作左移，直到碰到左限位开关（X2）动作结束，按放松按钮（X22）机械手方松（Y4复位0）。
2．3．3回原点方式程序
在我们的自动/单步/单周期运行之前我们通常要让机械手回到原点，才能让他完成自动运行的动作。
回原点方式也属于自动程序的一种，在机械手的自动操作中，由于操作的动作复杂不容易直接设计出梯形图，可以先画出自动操作的流程图，用以表示动作的顺序和转换的条件，然后根据所采用的控制方法设计梯形图比较简单，所以后面的自动程序都采用流程图来完成。
将操作板上的工作方式打到回原点位置（X11,S1置1），此时S1获得信号。当按下回原点启动开关（X11），S10得到信号，同时下降运行停止，机械手松开，上升运动开始，直到碰到上限位开关（X0）接通S11，此时右移停止，左移运动开始，直到碰到左限位开关（X2）接通S12，此时输出M8043回归完成，信号自动返回给S12，动作结束。其原理如图所示：

2．3．4 自动方式控制
在自动程序中包括单周期、单步运行方式。将控制面上的工作方式拨到自动工作方式（X14），然后按启动按钮（X24），此时M8041导通置1（附：在使用自动单步运行、单周期运行之前我们都得先回原点使M8044通过置1），此时S2导通到S21，下降动作开始，直到碰到限位开关（X1），停止下降，导通S26，并停留2秒钟，然后导通S27，机械手放松并开始上升，直到碰到上限位开关，上升停止。S28导通，机械手左移，碰到左限位开关，信号返回给S2，达到循环动作，直到按下停止开关(X17)，所有动作停止。下图为自动方式的梯形图与状态图

自动方式梯形图如下图所示

2．3．5 单步运行、单周期运行
将控制面板上的工作方式拨到单步工作方式上，每按一次启动按钮机械手就运到一次运动一个步骤。将开关拨到单周期工作方式上，按动一次启动按钮机械手自动完成一个周期的动作，其工作原理与自动方式一样。
2．3．6 程序的语句表
手动方式、回原点方式、自动、单步、单周期方式语句表分别为：
（1） 初始状态语句表
步 序
指 令
0
LD X0
1
AND X2
2
ANI Y4
3
OUT M8044
4
LD M8000
5
IST X10 S20 S28
(2) 手动状态语句表
步 序
指 令
步 序
指 令
0
STL S0
12
OUT Y1
1
L D X21
13
L D X7
2
RET Y4
14
ANI X0
3
L D X22
15
ANI X2
4
RST Y4
16
ANI Y2
5
L D X5
17
OUT Y3
6
ANI Y1
18
L D X7
7
ANI X0
19
ANI X0
8
OUT Y0
20
ANI X3
9
L D X4
21
ANI Y3
10
ANI Y0
22
OUT Y2
11
ANI X1
23

(3)自动方式语句表
步 序
指 令
步 序
指 令
0
STL S2
20
SET S25
1
L D M8041
21
STL S25
2
AND M8044
22
LDI X20
3
SET S21
23
OUT Y1
4
STL S21
24
L D X1
5
OUT Y1
25
SET S26
6
L D X1
26
STL S26
7
SET S22
27
OUT T1 K20
8
STL S22
28
L D T1
9
OUT TO K20
29
SET S27
10
L D T0
30
STL S27
11
SET S23
31
SET Y4
12
STL S23
32
OUT Y0
13
SET Y4
33
L D X0
14
OUT Y0
34
SET S28
15
L D X0
35
STL S28
16
SET S24
36
OUT Y3
17
STL S24
37
L D X3
18
OUT Y2
38
OUT S2
19
L D X2
39
RET

(4) 回原点方式语句表

步 序
指 令
步 序
指 令
0
STL S1
10
RST Y2
1
L D X15
11
OUT Y3
2
SET S10
12
L D X2
3
STL S10
13
SET S12
4
RST Y4
14
STL S12
5
RST Y1
15
SET M8043
6
OUT Y0
16
RST S12
7
L D X0
17
OUT S12
8
SET S11
18
RET
9
STL S11

(5 ) 内部单步、单周期自动梯形图的语句表
步 序
指 令
步 序
指 令
0
L D X14
15
L D X12
1
OR X24
16
ORB
2
AND M8041
17
L D X13
3
ANI X17
18
AND X17
4
AND X12
19
ORB
5
OR X13
20
L D M8002
6
L D X14
21
ORB
7
ORB
22
L D M8042
8
L D X24
23
ORB
9
OR X15
24
ANI M8042
10
ANI X10
25
ORB
11
SET M8042
26
OUT M8040
12
L D X10
27
L D M8000
13
L D X11
28
OUT M8047
14
AND X17

三 PLC实际应用中的问题
3．1 程序调试和模拟运行

我们按照自己的设计思路把PLC应用程序设计完成以后，在实验室里进行调整和模拟运行。
（1） 程序检验。将编好的应用程序输入编程器，经过检验，改正编程语法和数据错误，再逐条搜索与所设计程序对无误后传入CPU模块RAM存储器中。
（2） 模拟信号。用模拟开关模拟输入信号，开关的一端接相对应的输入端点，另一端作为公共端，接在PLC输入信号电源的负端（当要求输入信号公共端为正电源时）。输入程序后，扳动开关，接通或断开输入信号来模拟机械动作，使检测元件发生变化，并通过输入、输出端点的指示灯来观察输入、输出端点的状态变化。
（3） 模拟运行。按状态转换表进行模拟运行。首先对照输入信号状态表，设置好原始状态下所有输入信号的状态，再使PLC运行。按工步状态再一个工作循环里逐步转换，依次发出状态转换主令信号，则系统将依次进行工步状态转换。每发出一个状态转换主令信号，系统将结束一个工步状态转入下一个工步状态。仔细观察输出端点指示灯，并与执行元件动作节拍表对照，看各输出端点的状态是否在每个工步状态里都与执行元件节拍表里的要求一致，如果一致则说明PLC应用程序设计正确，符合控制要求。这样逐步检查，以便都达到规定状态。
3.2设计小节
本次设计完成了简单的机械手的工作原理及PLC电气部分的设计。在这段时间的设计中，参考了大量的参考资料，同时我们也作了大量的社会调查，结合实际完成了这套设计。
通过这段时间的设计，我初步掌握了设计的方法和要求，为以后走上工作岗位打下了一定的基础，实现了理论和实践相结合的初步转变。
机械手是一种机械与电气紧密相结合的运输产品。随着可编程控制器在工业中的广泛应用，也使机械手子效率和人力方面得到了很大的改变。
这次设计使我感最深的是：作为一个设计人员，当接到这份设计任务之后，应该怎么去查资料，怎样和合伙伙伴同台设计、调试。
本次设计的成功要感谢指导老师给我们的指导和学校给我们提供的试验器材，同时在学校的引导以及老师的指导下，我们更加充分了所学知识的总结和巩固，也提高了对设计的热情。
由于设计水平有限，在设计中，难免有不足之处，望阅读者给与批评、指正。

参考文献：
1．钟肇新、彭侃 编译 可编程控制器原理及应用 第二版 广州：华南理大学出版社，2003.5
2 .FP0可编程序控制器使用手册. 天津：天津职业技术师范学院源峰科技发展有限公司
3. 李乃夫主编. 可编程控制器原理、应用、实验. 北京：中国轻工业出版社，2003
4. 张建民.《机电一体化系统设计》.北京：高等教育出版社，2001年
5. 求是科技编著 PLC应用开发技术与工程实践 北京 人民邮电出版社，2005.1