搬运机械手电气控制系统设计之欧阳科创编

PLC课程设计

时间：2021.02.05 创作：欧阳科 姓 名 学 号 年级专业

所在院系 电气工程与自动化学院 指导教师 刘美俊、张哲铭 提交日期

厦门理工学院 课程设计任务书

课程名称 电气控制与PLC

课题名称搬运机械手电气控制系统设计 专业班级 姓 名 学 号

指导教师刘美俊、张哲铭

任务书下达日期201年月日

欧阳科创编 2021.02.05

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课程设计完成日期201年月日

设计内容与要求 一.课程设计的性质与目的 本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。 二. 课程设计的内容 1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。 2.绘制搬运机械手控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。 3.选择电器元件，列出电器元件明细表。 4.上机调试程序。 5.编写设计说明书。 三. 课程设计的要求 1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。 2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。 3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。 主要设计条件 1.PLC实验设备若干。 2.参考文献若干。 设计说明书装订顺序 欧阳科创编 2021.02.05

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1.课程设计说明书封面。 2.课程设计任务书。 3.说明书目录。 4.正文（按设计内容逐项书写）。 5.参考文献。 6.附录。 7.课程设计评分表。 设计进度安排 1.7月6日上午：课题内容介绍。 2.7月6日下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。 3.7月6日～7月10日：确定控制方案。绘制搬运机械手电气控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。设计控制系统的工艺图纸。选择电器元件，列出电器元件明细表。 4.7月9日：上机调试程序。 5.7月10日：答辩。 参考文献 [1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：重庆大学出版社 [2]万太福.可编程序控制器及其应用[M]. 重庆：重庆大学出版社 [3]刘美俊.电气控制与PLC工应用.北京：机械工业出版社 [4]谢桂林.电力拖动与控制. 北京：中国矿业大学出版社 [5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册. 北京：水利电力出版社 《电气控制与PLC》课程设计指导小组

201

年

月

日

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目录

前言………………………………………………………………………………2

第1章 概述………………………………………………………………3

1.1 PLC简介………………………………………………………………3 1.2 机械手概述…………………………………………………………4 1.3 搬运机械手的应用简况……………………………………………………4 1.4 机械手的应用意义…………………………………………………………5

1.5机械手控制系统设计步骤………………………………………6

第2章 控

制方案…………………………………………………7

2.1 搬运机械手的设计原理 ………………………………………………7

2.2 PLC的选取 …………………………………………………………8

第3章 控制系统硬件电路设计……………………………………11

3.1 3.2

传送带A,B主电路图及传送带B的控制电路图…………………11 PLC接口电路图………………………………………12

第4章 控制系统软件设计…………………………………………15

4.1 4.2

控制系统的软件设计原理………………………………………15 梯形图和指令表…………………………………………………………18

第5章 控制系统调试…………………………………………………26

5.1 控制系统的调试过程………………………………………………26 总结………………………………………………………………………27 前言

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送

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和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

第一章 概述

1.1

PLC简介

随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展， 其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱（即 PLC， 机器人， CAD/CAM） 之一。 目前可编程序控制器 （Programmable Controller） 简称 PLC 已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具。PLC的基本结构 PLC 采用了典型的计算机结构，主要包括 CPU、RAM、ROM 和输入/输出接口电路等。如果把 PLC 看作一个系统，该系统由输入变量PLC输出变量组成， 外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的信号均作为 PLC 的输入变量，它们经 PLC 外部端子输入到内部寄存器中，经 PLC 内部逻辑运算或其它各种运 算、处理后送到输出端子，它们是 PLC 的输出变量，由这些输出变量对外围设 备进行各种控制。控制方法及研究 1、FP1 的特殊功能简介 、 (1) 脉冲输出 FP1 的输出端 Y7 可输出脉冲，脉冲频率可通过软件编程进行调节，其输出频 率范围为 360Hz～5kHz。 (2) 高速计数器（HSC） FP1 内部有高速计数器，可同时输入两路脉冲，最高计数频率为 10kHz，计数 范围8388608～+8388607。 (3) 输入延时滤波 FP1 的输入端采用输入延时滤波，可防止因开关机械抖动带来的不可靠性， 其延时时间可根据需要进行调节，调节范围为 1ms～128ms。 (4) 中断功能 FP1 的中断有两种类型，一种是外部硬中断，一种是内部定时中断。

1.2 机械手概述

机械手在自动化车间中用来运送物料,从事焊接、喷漆、装配等工艺操作，可将操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中出来。特别是在高温、危险、有害的作业环境

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（放射性、有毒气体、粉尘、易燃、易爆、强噪声等）中，可用机械手代替人的部分操作。目前，机械手已广泛应用于铸造、锻造、冲压、切削加工、喷漆、装配等各种工艺过程中。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用, 机械手的运用越来越灵活。本文介绍一种采用PLC控制的机械手控制系统的设计。 1.3 搬运机械手的应用简况

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。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。

国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面： 1.热加工方面的应用

热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用

冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3.拆修装方面

拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修

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装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。

近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

1.4机械手的应用意义

在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：

1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

3.可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。 1.5 机械手控制系统设计步骤

根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的选型。(3)根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设

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定。(4)对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。(5)保存已完成的程序。

第二章 控制方案

2.1 搬运机械手的设计原理

图1是搬运机械手工作示意图。该机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。为使动作准确，安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。分别对机械手进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行程的检测，并给出动作到位的检测信号。另外还安装了光电开关SP。负责检测传送带A上的物品是否到位。此外，还设置了起动按钮SB1和停止按钮SB2，分别用以启动和停止机械手的动作。

图1 搬运机械手工作示意图

传送带A、B由电动机M1、M2拖动，M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由6个电磁阀YV1—YV6来控制。

原位 松开 上升 左旋 下降 传送带A运行 下降 右旋 上升 抓紧 机械手动作过程

2.2 PLC的选取

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FX2N是三菱公司推出的高性能小型可编程控制器,FX系列PLC中应用最广泛的产品,该系列PLC是1991年推出,因其具有较高的性能价格比,受到广大用户的青睐.FX2N系列PLC是采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。 特点:

1)可靠性高、抗干扰能力强

PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。 2）. 控制系统构成简单、通用性强

由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。

3）. 编程简单、使用、维护方便 4）. 组合方便、功能强、应用范围广

PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC应用范围很广。

5）. 体积小、重量轻、功耗低

PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。

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FX2N48MRD 基本单元 带 24点输入/24点继电器输出

1、

型号；2、状态指示灯；3、模式转换开关与通讯接口；4、PLC的电源端子与输入端子；5、输入指示灯；6、输出指示灯；7、输出端子

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PLC的i/o接口

输入由X00到X37 输出由Y00到Y27

第三章 控制系统硬件电路设计

3.1传送带A,B的主电路图及传送带B的控制电路图

根据传送带A，B的运行要求设计其主电路图如下：

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传送带A,B的主电路图

根据传送带B的运行要求设计其控制电路入下图：

传送带B的控制电路图

3.2 PLC接口电路

机械手电气控

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制系统，除了有多工步特点之外，还要求有自动控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以由拨向开关开关来选择表示。

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工作模式 自动模式 地址 X0 X1 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X10 输入继电器 功能 启动开关 停止开关 上限位开关 左限位开关 下限位开关 光电开关 抓限位开关 右限位开关 功能选择开开关类型 点动开关 点动开关 拨向开关 拨向开关 拨向开关 拨向开关 拨向开关 拨向开关 拨向开关 Y2 Y1 Y6 Y4 Y3 Y5 地址 Y0 输出继电器 功能 手臂上升 手臂左旋 手臂下降 传送带A 抓 手臂右旋 放 — — 欧阳科创编 2021.02.05

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关，自动 手动模式 X11 功能选择开关，手动 X14 X15 X16 X17 X20 X21 X22 上升开关 下降开关 左旋开关 右旋开关 抓开关 放开关 传送带开关 点动开关 点动开关 点动开关 点动开关 点动开关 点动开关 点动开关 — — — — — — — — — — — — — — 拨向开关 — — I/O接口表

第4章 控制系统软件设计

4.1 控制系统软件设计原理

本控制系统是通过主程序控制，来实现机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，而且启动时，机械手按照步序图的工步顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上。重新启动时机械手从停止前一瞬间的动作继续进行；PC断电时的要求与停止时的要求一致。

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搬运机械手动作步序图

传送带B处于连续运行状态，不用PC控制。

机械手和传送带A要求按照一定的顺序动作，其步序图如所示。

启动时，机械手按照步序图的工步顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上。重新启动时机械手从停止前一瞬间的动作继续进行；PC断电时的要求与停止时的要求一致。

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M8002 M1 X20 X21 X22 X23 X24 X25 X26 M520 Y0 手臂上升 M521 Y1 手臂下旋 欧阳科创编M52M522 3 Y2 Y3 手臂左手臂右旋 旋

手动模式功能图M8002 M52M524 5 Y4 Y5 抓 放

M526 Y6 传送

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M500 X0 M501 Y0 手臂上升 X2 M502 Y2 手臂左旋 X4 M503 Y1 手臂下降 X3X4 M504 Y6 传送带A X3X4X6 M505 Y4 抓 X4X7 M506 Y0 手臂上升 X2X7 M507 Y3 手臂右旋 X5X7 M508 Y1 手臂下降 X3X5 M509 Y5 T0 K50 T0 自动模式功能图

4.2梯形图和指令表

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放 欧阳科创编 2021.02.05

梯形图：

为主控部分M0为自动操作机械手，M1为手动操作机械手。

自动操作机械手梯形图

X0为启动按钮，X1为停止按钮，X2到X7分别为限位开关，M1为互锁。

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手动操作机械手梯形图

按钮X14到X22分别控制机械手上，下，左，右，抓紧，放开和传送带A

输出部分梯形图

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Y0代表机械手向上运动，Y1代表机械手向下运动， Y2代表机械手向左运动，

Y3代表机械手向右运动，Y4代表机械手抓紧物体运动，Y5代表机械手放开物体运动，Y6代表传送带开始运作。 指令表：

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第5章 控制系统的调试

5.1控制系统的调试过程

首先用电脑在Gx Developer编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，检查和修改完程序,无误后将其下载到三菱FX2N48MRD中；接着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M0和M1无法得电，使得自动和手动程序无法继续下去。经过监视模式的排查和思索。发现因为M8002为初始脉冲很快。

原先梯形图这样不能使MO和M1持续得电，导致M0和M1不能正常运行。

经过修改，在M8002加入一个辅助继电器，使继电器持续得电，从而使M0和M1能持续得到电。排除问题后，进行测试，测试成功，输出信号灯能按照设计中八个动作依次有序进行操作。

总结

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这次的课程设计我大致完成了老师给定的设计要求。

我们所设计的搬运机械手程序在硬件调试时能够较完整地完成整个工作流程。当相应的开关按下时，相应的控制灯能够及时点亮。

在保护方面，在程序设计时，对于上下运作，左右运作，和抓紧放开，进行的互锁。也对手动操作进行全部互锁，当按下多个钮按时只有一个按钮能真正操作。

大致的设计流程在有了时序步骤的图之后还是清楚的，但是细节问题上就没有处理的很好了。

搬运机械手的优点已经不言而喻。能够在机械帮助而不需要手动的情况下搬运一些工件，且在电机拖动下，能够时间定时、定量的搬运，不仅提高了工作的效率，也节省了不少时间，在这样模块化的工作下，其他相关的工序也能井然有序的完成。

但是，在设计过程中，总是遇到许许多多的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。有时解决的一个问题又会衍生出新的问题。但是在解决问题的过程，我学到了更多的知识。也对PLC有了更深入的了解。

这次课程设计，让我从中学到很多，这将会给我今后的学习工作提供了经验，也将是我

人

生

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一

大

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课程设计评分表

项 目 设计方案的合理性与创造性 硬件制作或软件编程完成情况 硬件制作测试或软件调试结果 设计说明书质量 设计图纸质量 答辩汇报的条理性和独特见解 答辩中对所提问题的回答情况 完成任务情况 工作能力 组织纪律性（出勤率） 综合评分 指导教师签名：________________ 日 期：________________

评 价 时间：2021.02.05 创作：欧阳科 欧阳科创编 2021.02.05