电气控制与PLC 课程设计-机械手抓物电气控制系统设计.docx

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1、目录1系统概述21.1设计题目应用背景和意义21.2课题的设计任务及要求31.3机械手的具体参数和要求32 方案论证42.1 PLC的结构和配置42.2 PLC的选择52.2 传动机构的选择63.1系统的原理方框图783.2 主电路83.3 I/O接线图93.3 I/O分配图103.4 元器件选型134 软件设计174.1程序流程图174.2梯形图185 系统调试226设计心得227参考文献231 系统概述1.1设计题目应用背景和意义 本课程机械手设计主要采用了可编程逻辑控制器，简称PLC，来实现工业场合的的自动控制，PLC以微控制器为核心，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一

2、种新型工业自动控制装置，它具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点。被广泛用于自动化控制的各个领域。机械手，它能模仿人手和手臂的某些动作功能，用以按照特定的程序设计来抓取，搬运物体或操作某些工具的自动装置。从而实现了工业场合的机械化和自动化。因而广泛用于机械制造，冶金，电子，轻工和航空航天领域。控制的方式基本相同，但复杂度基本不同。机械臂主要有执行机构，传动机构，和辅助装置组成。执行机构：机械手的执行结构，由手，手腕，手臂，支柱部分组成。手使用来抓取的机构，用于抓紧和松开工件，能够完成人手的基本操作。手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行上下，左右，回转动作。支柱用来支撑

3、手臂同时可以用来移动。传动机构：机械机构的动作有传动系统来实现.常用的传动系统分为机械传动,液压传动,气压传动,电力传动.1.2课题的设计任务及要求 1、完成设计说明书一份（包括原理的简要说明和软件的编程）(不少于5000字)；其中包括电气原理图一份。（要求用计算机绘图，采用AUTOCAD或者其他绘图软件）、电气安装接线图一份。（要求用计算机绘图，采用AUTOCAD或者其他绘图软件）2、设计说明书和电气原理图必须按“电气图形符号”和“电气技术文字符号”的国家标准。1.3机械手的具体参数和要求机械手抓取物块的结构如图所示。系统右3个气缸组成，每个气缸的动作分别由电磁阀控制DC24V 5W，工作过

4、程如下：具体要求如下：（1）如果人工放置物块到工作台上，汽缸B向下动作。（2）汽缸B向下动作到位，汽缸C动作，抓紧物块。（3）汽缸C动作，抓紧物块后，汽缸B向上动作。（4）汽缸B向上动作到位后，汽缸A向左动作。（5）汽缸A向左动作到位后，汽缸B向下动作。（6）汽缸B向下动作到位后，汽缸C松开抓手，物块放置到传送带上。（7）汽缸C松开抓手到位后，汽缸B向上动作。（8）汽缸B向上到位后，传送带转动，送出物块。同时汽缸A向右移动。（9）物块送出后，汽缸A向右移动。汽缸A向右移动到位后，进行下次循环。2 方案论证2.1 PLC的结构和配置1, 中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过

5、地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。 2,储存器 PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。 3,输入输出接口单元PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC的输入输出接口电

6、路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。 4,输入接口电路PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关，光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。5,输出接口电路输出接口电路通常有3种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。 继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型的输出电路类似，只是晶体管或晶闸管代替继电器来控制外部负载。5, 扩展接口和通信接口PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC

7、的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。 6,电源PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。2.2 PLC的选择 机械手要求系统具有稳定性,可靠性,以及接线的简单性,应该选择PLC为核心的控制器,各控制对象都必须在PLC统一控制下协同工作.三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出1625 点的独立用途外，还

8、可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。 特点 -系统配置即固定又灵活；-编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点； FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案； FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。 除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等 特殊用途，是一套可以满

9、足多样化广泛需要的PLC。 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KH

10、Z/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等.综合考虑各种因素:我决定采用三菱的FX2N-32MR型PLC(16点输入,16点输出)2.2 传动机构的选择液压传动的特点:抓重可达几百斤以上,传动平稳,结构紧凑,动过灵敏,但对密封装置要求严格,不宜在高温,低温的场合使用.气压传动:是压缩空气的的压力来驱动执行机构的机械手,特点是:介质来源极为丰富,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低.使用在高速,轻载,高温,和粉尘的环境中进行工作./机械传

11、动:特点采用凸轮,连杆,齿轮和齿条等机构实现,其动力由工作机械传递.的特点:动作精确度高,动作频率大,.但结构较大,动作程序不可变.控制系统:机械手的控制系统主要是机械手按照一定的程序,步骤,方向,速度进行动作,简单的机械手主要采用行程开关,继电器,控制阀以及电路就可以实现传动系统的控制,对于动作复杂的的机械手就要踩用可编程控制器来实现,本设计就是采用PLC.综合以上因素:我决定选用气压传动方式.3主电路3.1系统的原理方框图 如图3.0所示原理方框图 图3.0原理方框图如图3.1所示系统外接面板图 图3.1 3.2 主电路 如图3.2所示3.3 I/O接线图 如图3.3所示3.3 I/O分配

12、图输入点说明输入点说明输出点说明X0模式选择开关X16下降按钮Y0机械手原点指示灯X1模式选择开关X10上升按钮Y1机械手夹紧X2启动按钮X11左行按钮Y2机械手松开X3停止按钮X12右行按钮Y3机械手下降X4急停按钮X13松开按钮Y4机械手上升X5上限位X14夹紧按钮Y5机械手左行X6下限位X17机械手松开极限Y6机械手右行X7左限位X18机械手夹紧极限X15右限位1,控制说明:1,Y0=1原点指示灯亮; Y0=0 原点指示灯灭;2,Y1=1机械手夹紧; Y1=0 机械手停止夹紧;3,Y2=1机械手松开 ; Y2=0 机械手停止松开;4,Y3=1 机械手下降; Y3=0 机械手停止下降;5,

13、Y4=1 机械手上升; Y4=0 机械手停止上升;6,Y5=1机械手左行 ; Y5=0 机械手左行停止;7,Y6=1机械手右行; Y6=0机械手右行停止其中Y0,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6接触器一次接HL1,YV1,YV2,YV3,YV4,YV5,YV6;2,原点状态: SQ4=1;机械手上升到最高位置SQ2=1;机械手回到最左边的位置 Y2=1,机械手松开3,模式选择SA1(X0)SA2(X1)工作方式选择00点动模式01连续运行10单周期运行11单周步进运行4,模式介绍:(1) 点动模式:当选择点动模式时,即(X0=0,X1=0)时，按下启动按钮SB1时，机械手开始启动 按下SB5

14、（下降按钮）时，Y3=1 机械手下降;当SQ5=1时，Y3=0机械手停止下降; 按下SB7（左行按钮）时，Y5=1机械手左行。当SQ3=1时，Y5=0机械手左行停止;按下SB10（夹紧按钮）时，Y1=1机械手夹紧;当SQ6=1时，Y1=0 机械手停止夹紧;按下SB6（上升按钮）时，Y4=1 机械手上升;当SQ4=1时，Y4=0 机械手停止上升;按下SB8（右行按钮）时，Y6=1机械手右行; 当SQ2=1时，Y6=0机械手右行停止；按下SB9（松开按钮）时，Y2=1机械手松开 ;当SQ7=1时， Y2=0 机械手停止松开;（2）连续运行模式：当选择连续模式时，即（X0=0,X1=1）时，按下启动

15、按钮SB1时，机械手开始连续运行，直到按下停止按钮SB2，（3）单周期运行模式当选择单周期运行模式时,即(X0=1,X1=0)时,按下启动按钮SB1时,机械手只能完成一个周期的工作. (4)单周步进模式 当选择单周步进模式时,即(X0=1,X1=1)时,按下启动按钮SB2时,机械手只能完成一个工步,再按启动按钮,执行下一个步骤.一个周期结束后,循环执行下一个周期.3.4 元器件选型 1,行程开关(1)机械开关：两条线，接通有效。(2)光电开关：一般三条线，需要供电，一定距离挡住光有效。(3)接近开关：一般三条线，也有两条的。一般对金属感应，接近有效 机械开关灵敏度较低，但抗杂质，废料干扰能力较

16、大。 光电开关灵敏度较高，但抗杂质，废料干扰能力较小。 接近开关灵敏度较高，一般用于检测金属接近物2,接触器选择 (1)选择接触器的类型：& ( 0 k( x! I+ d) b u8 D# ?根据电路中负载电流的种类选择。交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器，如果控制系统中主要是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，也可都选用交流接触器来控制，但触点的额定电流应选得大一些。 6 y* L6 Q P3 |% r+ I K(2)选择接触器主触头的额定电压：6 V% k. j5 P9 K9 F. R应等于或大于负载的额定电压。! K7 n, 4 N; I (3)选择接触器主触头的额

17、定电流：3 p _ A3 _) f4 A j被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。如果接触器是用来控制电动机的频繁启动、正反或反接制动等场合，应将接触器的主触头额定电流降低使用，一般可降低一个等级。 / O0 x: 8 K * z2 w7 r/ ) o(4)根据控制电路要求确定吸引线圈工作电压和辅助触点容量：6 9 c1 1 q0 K 5 P1 g$ x) 如果控制线路比较简单，所用接触器的数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。如果控制线路比较复杂，使用的电器又比较多，为了安全起见，线圈的额定电压可选低一些

18、，这时需要加一个控制变压器。 直流接触器线圈的额定电压应视控制回路的情况而定。而一系列、同一容量等级的接触器，其线圈的额定电压有好几种，可以选线圈的额定电压和直流控制电路的电压一致。 直流接触器的线圈是加直流电压，交流接触器的线圈一般是加交流电压。有时为了提高接触器的最大操作频率，交流接触器也有采用直流线圈的。如果把直流电压的线圈加上交流电压，因阻挠太大，电流太小，则接触器往往不吸合。如果将交流电压的线圈加上直流电压，则因电阻太小，电流太大，会烧坏线圈。: i/ Q# k5 Q; X% b交流接触器的应用 n; Q; X. u: |+ t5 J9 K(5)用途的分类 2 X. ?) e+ l4

19、 Y接触器是一种自动化的控制电器。接触器主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。 F, n$ x& ) o1 K接触器按被控电流的种类可分为交流接触器和直流接触器。这里主要介绍常用的交流接触器。交流接触器又可分为电磁式和真空式两种.3,熔断器选择 熔断器的主要作用是短路保护。对熔断器的选择要求是：在电气设备正常运行时，熔断器不应熔断；在出现短路时，应立即熔断；在电流发生正常变动（如电机起动过程

20、）时，熔断器不应熔断；在用电设备持续过载时，应延时熔断。熔断器的额定电压要大于或等于电路的额定电压。对熔断器的选用主要包括熔断器类型选择和熔体额定电流的确定。熔断器的类型根据不同的使用场合、电压等级、保护对象和要求，有很多品种和类型。高压熔断器，高压熔断器又分为户内式和户外式两种，这里不赘述。低压熔断器常见有插入式、管式、螺旋式三大类。又可分为开启式、半封闭式和封闭式三种。R-熔断器； C-插入式； L -螺旋式； M-密闭管式； S-快速；T-有填料管式。如 RC1、 RC1A 为插人式； RM-无填料管式； RT0、 RL1、 RLS分别为有填料管式和有填料螺旋式。低压熔断器有三种结构不同

21、的熔体，一种做为电气线路的过载和短路保护(gG)；另一种作为半导体器件及其成套装置的短路保护(aR)；还可派生为电动机短路保护(aM)。熔断器选择的原则是：A、根据线路要求和安装条件选择熔断器的型号。容量小的电路选择半封闭式或无填料封闭式；短路电流大的选择有填料封闭式；半导体元件保护选择快速熔断器。B、根据负载特性选择熔断器的额定电流。C、选择各级熔体需相互配合，后一级要比前一级小，总闸和各分支线路上电流不一样，选择熔丝也不一样。D、根据线路电压选择熔断器的额定电压。E、交流异步电机保护熔体电流不能选择太小（建议22.5倍电机的额定电流）。如选择过小，易出现一相熔断器熔断后，造成电机缺相运转而

22、烧坏，必须配套热继电器作过载保护。注意：熔断器电流包括两方面，一是熔断器安装熔断体的座子、壳架的额定电流，另一是熔断体的额定电流，二者不可混淆。这一点跟断路器类似。4,电动机选择电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点： (1如果电动机功率选得过小就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载使其绝缘因发热而损坏甚至电动机被烧毁。 (2)如果电动机功率选得过大就会出现“大马拉小车”现象其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高(见表)，不但对用户和电网不利。而且还会造成电能浪费。 要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较：

23、 (1)对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(即生产机械轴上的功率)Pl(kw)可按下式计算所需电动机的功率P(kw)： P=P1/n1n2式中 n1为生产机械的效率；n2为电动机的效率。即传动效率。 按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。 例：某生产机械的功率为395kw机械效率为70、如果选用效率为08的电动机，试求该电动机的功率应为多少kw?解:P=P1/ n1n2=3.95/0.7*0.8=7.1kw由于没有71kw这规格所以选用75kw的电动机。(2)短时工作定额的电动机与功率相同的连续工作定额的电动机相比最大转矩大，重

24、量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电动机。 (3)对于断续工作定额的电动机，其功率的选择、要根据负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电动机。负载持续串Fs的计算公式为 FStg/(tg+to)100式中 tg为工作时间，t。为停止时间min；tg十to为工作周期时间min。 此外也可用类比法来选择电动机的功率。所谓类比法。就是与类似生产机械所用电动机的功率进行对比。具体做法是：了解本单位或附近其他单位的类似生产机械使用多大功率的电动机，然后选用相近功率的电动机进行试车。试车的目的是验证所选电动机与生产机械是否匹配。验证的方法是：使电动机带动生产机械运转，用钳形电

25、流表测量电动机的工作电流，将测得的电流与该电动机铭牌上标出的额定电流进行对比。如果电功机的实际工作电流与铭脾上标出的额定电流上下相差不大则表明所选电动机的功率合适。如果电动机的实际工作电流比铭牌上标出的额定电流低70左右则表明电动机的功率选得过大(即“大马拉小车”应调换功率较小的电动机。如果测得的电动机工作电流比铭牌上标出的额定电流大40以上则表明电动机的功率选得过小(即小马拉大车)，应调换功率较大的电动机.4 软件设计4.1程序流程图4.2梯形图5 系统调试 由于设备的限制 ,我们都没有在实验室做调试工作,但是,我的程序代码都经过认真仔细的认证后,才开始课程设计的开始,所以,同样具有一定的参

26、考价值.本设计的亮点在于采用了4模式切换的理念,采用步进梯形图的分支思想,这在平时的上课中是很少涉及的,所以,我相信系统调试也是能够通过的.6设计心得 PLC设计这两周的时间里,并没有想象的那么简单,考虑到机械手的功能,我决定采用4种模式的切换操作,包含了:单周期运行,单步运行,单周步进运行,以及连续运行.这4种模式在切换时,我遇到了麻烦,后来,我就采用了步进梯形图的选择分支结构,但是,我在编写程序时,发现选择分支图形画不出来,经过摸索,最后终于解决了这个难关.用步进梯形图来实现了多重跳转的功能. PLC课程设计的难点在于熔断器,电动机,接触器,线号的选择上,理论与实际的不同,导致我们无法正确的凭借经验来获得经验值.所以,只能根据课本上的理论知识来选择正确的型号. 本次课程设计下来,我才知道自己的知识水平还没有达到一定的档次,所以,如果将来要从事PLC行业,就必须虚心耐心的学习深造,才能达到一定的水平.我会在这次课程设计的基础上来继续研究,虚怀若谷,增加自己的学识.7参考文献参 考 文 献1 常晓玲,电气控制系统与可编程控制器 北京,机械工业出版社 2 韩志国, PLC应用技术,国防工业出版社3 周荣俊,可编程控制器及其应用课教学参考书(第二版),北京,中国劳动社会保障出版社24