坐标式机械手PLC课程设计
西门子PLC课程设计
题目：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 姓名：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 班级：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 学号：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
报告格式 设计说明 （20分） （20分） 设计图纸 （20分） 科技文献分析 （20分） 其它 （10分） 平时 {10分} 总评 （100分）
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目录
第一章
设计要求 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„01 1.1 控制要求 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„02 1.2 I/O编址并画出工作框图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„03 1.3 编程并调试 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„03 1.4 I/O端子接线图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„03
第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
工艺过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„04 操作面板布置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„05 程序规划及编制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„06 单操作工作的程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„07 自动操作程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 PLC外围端子接线图„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 元器件清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25
参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26
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第一章 设计要求
上限原点右限左限A下限夹紧放松B下限AB图1 坐标式机械手动作原理图
1.1 控制要求
如图1所示，将物体从位置A搬至位置B 机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制，以便对设备进行调整和检修。图2是机械手控制系统的逻辑流程图。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位、左位。
工件 原位 下降 低位 夹紧 延时 上升 高位 右移 启动 左位 停止 左移 高位 上升 延时 松开 低位 下降 右位 如图2 机械手控制程序的流程图
（1） 动作顺序：机械手从原点位置下移到A处下限位→从A处夹紧物体后上升至上
限为→右移至右限位→机械手下降至B处下限位→将物体放置在B处后→上升至上限位→左移至左限位（原点）为一个循环。
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（2） 上限、A、B下限、左限、右限分辨有限位开关控制；机械手设立起动和停止
开关。
（3） 机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。 （4） 机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均
有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。
（5） 若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，
使之回到原点。
（6） 要求循环120次后自动停止工作并警铃报警。
1.2 I/O编址并画出工作框图
输入：
起动按钮：I0.0
停止按钮：I0.6 输出：
Q0.0 下降 Q0.1 上升 Q0.2 夹紧 Q0.3 右转 Q0.4 左转 Q0.5 原点指示
1.3 编程并调试 1.4 I/O端子接线图
该机械手控制系统所采用的PLC是德国西门子公司生产的S7-200CPU224，图3是S7-200CPU224输入/输出端子地址分配图。该机械手控制系统共使用了14个输入点，6个输出点
启动下限上限右限左限无件停止单操作工作方式选择步进单周期连续加载选择左右上下夹松I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5Q0.4Q0.5左转原点指示Q0.1上升Q0.0下降S7-200CPU224Q0.2夹紧Q0.3 右转
图3 机械手的输入/输出接线图
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第二章 工艺过程
机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈及二位电磁阀控制。例如当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松夹紧由一个单线圈二位电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手夹紧，该线圈断电时，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全。必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降
机械手的动作过程分解图4所示，从原点开始，按下起动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀通电，机械手下降停止；同时按通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁式断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时。碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀通电，机械手下降停止；同时夹紧电磁阀断电；机械手放松，放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过8步动作完成一个周期。
原点指示左限位开关左移起动原点右移下降电磁阀下降下降上升下限位开关下限位开关右移电磁阀上限位开关右限位开关右位上限位开关左移电磁阀下降电磁阀上升上升电磁阀光电开关无工件检测夹紧电磁阀夹紧电磁阀 4
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图4 动作过程分析图
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。
手动操作：用按钮对机械手的每一步运动单独进行操作控制，例如，当选择上下运动时，按下启动按钮，机械手下降；按下停止按钮，机械手上升。当选择左右运动时，上下启动按钮，机械手右移；按下停止按钮，机械手左移。当选择夹紧放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手方松。
步进操作：每按一次启动按钮，机械手完成一次动作后自动停止。
单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。
连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续不断的周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
第三章 操作面板布置
根据控制要求，需安排一些操作开关，并设计控制箱面板布置图如图4
上/下左/右加载选择启动
步进选择夹/紧单操作单周期连续工作方式选择停止
指示灯组图5 操作面板布置图
图5中，接通单操作方式。按加载选择开关的位置，用启动/停止按钮选择加载操作，当加载选择开关打到左/右位置时，按下启动按钮，机械手右行；若按下停止按钮，机械手左行。上述操作可用于使机械手回到原点。
接通步进方式。机械手在原点时，按下启动按钮，向前操作一步；每按启动按钮一次，操作一次。
接通单周期操作方式。机械手在原点时，按下启动按钮，自动操作一个周期。
接通连续操作方式。机械手在原点，按下启动按钮，连续执行自动周期操作，当按下停止按钮，机械手完成此周期后自动回到原点并不再动作。
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第四章 程序规划及编制
为了在程序中安排机械手控制系统单操作、步进操作、自动操作等功能程序，规划程序整体结构如图6所示
I0.7JMP单操作方式断开单操作程序I0.1LBLJMP在步进操作方式断开步进操作LBLI1.1I1.2I1.1I0.6停止自动操作LBLSM0.0ENDI1.2JMPI0.0M1.0RM1.0SLDN I0.7JMP 1LBL 1LDN I1.0JMP 2LBL 2LDN I1.1AN I1.2JMP 3LD I1.2A I0.0S M1.0,1LD I1.1O I0.6R M1.0,1LBL 3LD SM0.0 END
图6 机械手控制系统整体流程图
若选择单操作工作方式，I0.7断开，接着执行单操作程序。单操作程序可以于自动操作程序，可另行设计。在单周期工作方式下，可执行自动操作程序。在步进工作方式下，执行步进操作程序，按一下按钮执行一个动作，并按规定顺序进行。在需要自动操作方式时，中间继电器M1.0接通。步进工作方式，单操作工作方式和自动操作方式，都用同样的输出继电器。
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第五章 单操作工作的程序
如图7是实现单操作工作的梯形图程序
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图7 机械手单操作梯形图
控制语句：
LD I0.7 JMP 1 Network 2 LD I1.3 A I0.2 LPS
A I0.0 AN Q0.4 = Q0.3 LPP
A I0.6 AN Q0.3 = Q0.4 Network 3 LD I1.5 A I0.0 S Q0.0, 2 Network 4 LD I1.5 A I0.6 R Q0.0, 2 Network 5 LD I0.4 A I0.0 AN Q0.1 = Q0.0 Network 6 LD I0.4 A I0.6 AN Q0.0 = Q0.1 Network 7 LBL 1 Network 8 LDN I0.1 JMP 2 Network 9 LBL 2 Network 10 LDN I1.1 AN I1.2
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JMP 3 Network 11 LD I1.2 A I0.0 S M1.0, 1 Network 12 LD I1.1 O I0.6 R M1.0, 1 Network 13 LBL 3 Network 14 LD SM0.0 END
为避免发生误动作，插入了一些连锁电路。例如，将加载开关扳到“左右”档时，按下启动按钮，机械手右行；按下停止按钮，机械手向左行。这两个动作只有当机械手处于上限时才能执行。
将加载开关扳到“夹/松”档，按下启动按钮，执行夹紧动作；按下停止按钮，松开。 将加载开关扳到“上/下”档，按下启动按钮，下降；按停止按钮，上升。
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第六章 自动操作程序
如图8是机械手自动操作功能图，图9是与之对应的梯形图
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图9 自动操作梯形图
控制语句：
Network 1
LDN I0.7 JMP 1 Network 2 LBL 1 Network 3 LDN I0.1 JMP 2 Network 4 LBL 2 Network 5 LDN I1.1 AN I1.2 JMP 3 Network 6 LD I1.2 A I0.0 S M1.0, 1 Network 7 LD I1.1 O I0.6 R M1.0, 1
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Network 8 LD SM0.1 MOVW 0, SW0 Network 9 LD I0.2 A I0.4 S S0.0, 1 Network 10 LSCR S0.0 Network 11 LD SM0.0 = Q0.5 Network 12 LD I0.1 SCRT S0.1 Network 13 SCRE
Network 14 LSCR S0.1 Network 15 LD SM0.0 = SM2.0 Network 16 LD I0.1 SCRT S0.2 Network 17 SCRE
Network 18 LSCR S0.2 Network 19 LD SM0.0 S Q0.2, 1 TON T37, 17 Network 20 LD T37 SCRT S0.3 Network 21 SCRE
Network 22 LSCR S0.3 Network 23 LD SM0.0 = M2.2 Network 24
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LD I0.2 SCRT S0.4 Network 25 SCRE
Network 26 LSCR S0.4 Network 27 LD SM0.0 AN I0.3 = Q0.3 Network 28 LD I0.3 A I0.5 SCRT S0.5 Network 29 SCRE
Network 30 LSCR S0.5 Network 31 LD SM0.0 = M2.1 Network 32 LD I0.1 SCRT S0.6 Network 33 SCRE
Network 34 LSCR S0.6 Network 35 LD SM0.0 R Q0.2, 1 TON T38, 15 Network 36 LD T38 SCRT S0.7 Network 37 SCRE
Network 38 LSCR S0.7 Network 39 LD SM0.0 = M2.3 Network 40 LD I0.2
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SCRT S0.1 Network 41 SCRE
Network 42 LSCR S1.0 Network 43 LD SM0.0 = Q0.4 Network 44 LD I0.4 LPS
A M1.0 SCRT S1.0 LPP
AN M1.0 SCRT S0.0 Network 45 SCRE
Network 46 LD M2.0 O M2.1 = Q0.0 Network 47 // Q0.1
LD M2.2 O M2.3 = Q0.1 Network 48 LBL 3 Network 49 LD SM0.0 END
PLC由STOP转为RUN时，初始脉冲SM0.1对状态进行初始复位。当机械手在原点时，将状态继电器S0.0置1，这是第一步。按下启动按钮后，置位状态继电器S0.1，同时将原动作继电器S0.0清零，输出继电器Q0.0得电，Q0.5复位，原点指示灯熄灭，执行下降动作。当下降到底碰到下限位开关时，I0.1接通，将状态继电器S0.2置1，同时将状态继电器S0.1清零，输出继电器S0.0复位，Q0.2置1，于是机械手停止下降，执行夹紧动作；定时器T37开始计时，延时1.7秒后，接通T37动合触电将状态继电器S0.3置1，同时将状态继电器S0.2清零，而输出继电器Q0.1得电，执行上升动作。由于Q0.2已经被置1，夹紧动作继续执行。当上升到上限位时，I0.2接通，将状态继电器S0.4置1，同时将继电器S0.3清零，Q0.1失电，机械手右行停止，若此时I0.5接通，则将状态继电器S0.5置1，同时将状态继电器S0.4清零，而Q0.0再次得电，执行下降动作。当下降到底碰到下限位开关时，I0.1接通，将状态继电器S0.6置1，同时将状态继电器S0.5清零，输出继电器Q0.0复位，Q0.2置1，于是机械手停止下降，执行松开动作；定时器T38开始计时，延时1.5s后，接
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通T38动合触电状态继电器S0.7置1，同时将状态继电器S0.6清零，而输出继电器Q0.1再次得电，执行上升动作。行至上限位置，I0.2接通，将状态继电器S1.0置1，同时将状态继电器S0.7清零，Q0.1失电，停止上升而Q0.4得电，执行左行动作。到达左限位，I0.4接通，将状态继电器S0.1清零。如果此工作状态为连续工作状态,M1.0置1，即将状态继电器S0.1置1，重复执行自动程序。若为单周期操作方式，将状态继电器S0.0置1，则机械手停止原点。
在运行中，如果停止按钮，机械手的动作执行完当前一个周期后，回到原点自动停止。在运行中，PLC掉电，机械手动作停止。重新启动时，先用手动操作将机械手移回原点，再按启动按钮，便可重新开始自动操作。
第七章
PLC外围端子接线图
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第八章 元器件清单
名称 CPU 按钮 数量 1 2 型号 西门子CPU224 GQ12B-10 ML461-22Y DCJ-05 70/75系列 ZCA-P AD37-C 联系地址 天津市河西区三合里综合楼24门202 广州市得力亚机电设备有限公司 常州凯昆自动化设备有限公司 深圳市启航达科技有限工司 常州德昌机电科技有限公司 上海金钢自控阀门有限公司 浙江莎普电器有限公司 限位开关 4 检测开关 1 步进电机 4 电磁阀 指示灯
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第九章 总结
通过这次课程设计让我深刻的了解到我们现在所掌握的知识真的是少的可怜，相对而言机械手的设计难度还不算大，但这就花费了我们大量的时间去做，虽然在查阅质料的过程中我们学到了一点东西，但也更让我们了解到世界之大，知识之多的道理。能完成这次课程设计让我很欣慰，这其中也要感谢给我很多意见和帮助的同学和老师，让我能顺利的完成这次课程设计。
这次的课程设计也让我熟悉了西门子S7-200系列PLC的基本组成和外部接线；熟悉了STEP7编程软件及其运行的环境，掌握其使用的方法；熟悉编程器的功能，熟悉西门子系列PLC的基本指令，通过这次的学习我们更学会了如何把PLC的功能运用到工程设计中。
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参考文献
【张万忠】 电器与PLC控制技术. 北京： 化学工业出版社， 2009
【张运刚】 西门子S7-200PLC技术与应用 北京： 人们邮电出版社， 2007 【连建华】 PLC应用技术 北京： 国防工业出版社， 2009
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思考题
1.西门子PLC较其他同类软件有什么优点？
答：西门子功能强大，编程灵活方便是其他同类软件无法比拟的。
2.该机械手控制系统所使用的西门子是哪一种的，共使用了多少输入输出端口？ 答：该机械手控制系统所采用的PLC是德国西门子公司生产的S7-200CPU224，该机械
手控制系统共使用了14个输入点，6个输出点。 3.怎么避免系统的误动作？
答：在程序中加入一些连锁电路。
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