机械手臂课设说明书.

课程设计说明书

目录

1引言 (1)

2 PLC的简介 (2)

2.1 PLC的产生 (2)

2.2 PLC的定义和特点 (2)

2.2.1 PLC的定义 (2)

2.2.2 PLC的特点 (2)

2.3可编程控制器的主要性能指标 (3)

2.4 PLC系统的组成 (3)

2.4.1 PLC的硬件结构 (3)

2.4.2 PLC的软件 (3)

2.5 PLC的应用领域 (4)

3方案设计 (6)

3.1 主程序设计 (6)

3.2 公用程序设计 (6)

3.3 自动程序设计 (7)

3.4 手动程序设计 (7)

3.5 自动回原点程序设计 (8)

4心得体会 (10)

参考文献 (11)

附录1 (12)

附录2 (16)

1引言

机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。

可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一[1]。

由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。

2 PLC的简介

2.1 PLC的产生

1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K 。核心思想：用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展，这是PLC的雏形。

1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功。

2.2 PLC的定义和特点

2.2.1 PLC的定义

美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。

早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC，后来随着计算机计术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般仍把PLC作为可编程控制器的简称。

2.2.2 PLC的特点

可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。

(2) 编程简单，易于掌握PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。

（3）功能完善，灵活方便随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行，既可集中

控制、也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。

（4）体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构经凑、功耗低。

2.3可编程控制器的主要性能指标

可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。

（1）输入/输出点数(I/O) I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。

（2）存储容量存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。

（3）扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。

（4）功能扩展能力可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。

（5）指令系统指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。

2.4 PLC系统的组成

PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构上与微型计算机控制系统相似，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。

2.4.1 PLC的硬件结构

一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成：

（1）中央处理器(CPU) 与计算机一样，是PLC的核心部件。

（2）存储器PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。

（3）输入/输出（I/O）接口电路。

（4）电源。

（5）扩展单元。

（6）外部设备。

2.4.2 PLC的软件

PLC的软件是指PLC所使用的各种程序的集合。它由系统程序（系统软件）和用户程序（用户软件）组成。

（1）系统程序系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。

（2）用户程序用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。

2.5 PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1、开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2、模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3、运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4、过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5、数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

6、通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

3方案设计

3.1 主程序设计

主程序是整个程序的开始，系统读取的时候一定从主程序开始，至于之后需执行哪个子程序，都在主程序中体现。SM0.0的常开触点一直闭合，链接公用程序，公用程序是无条件执行的；在手动控制方式中，I2.0为ON时，其常开触点闭合，执行“手动”子程序；在回原点控制方式中，I2.1为ON时，其常开触点闭合，执行“回原点”子程序；在单步、单周期和连续控制方式中，I2.2、I2.3、I2.4并联，其中任何一个为ON时，执行“自动”子程序。主程序下图：

图1 主程序

3.2 公用程序设计

公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理。左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点串联接通时，“原点条件”M0.5变为ON，机械手处于原点状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或自动回原点状态时，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备。若M0.5为OFF 状态，M0.0被复位，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。

当系统处于手动工作方式和回原点方式时，必须将单步、单周期以及连续工作方式程序中，除初始步以外的各步对应的存储器位（M2.0~M2.7）复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动部的异常情况，引起错误的动作。如果不是回原点方式，I2.1的常闭触点闭合，代表回原点中的各步M1.0~M1.5复位。在非连续方式，I2.4

的常闭触点闭合，表示连续工作状态的标志M0.7复位。公共程序如下：

图2 公共程序

3.3 自动程序设计

自动程序（包括单步、单周期和连续）采用起保停电路控制。单周期、连续和单步工作方式主要用“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分，M0.0表示初始步，M2.0~M2.7分别表示下降、夹紧、上升、右行、下降，松开、上升、左行标志。当系统处于单步工作状态时，I2.2常闭触点断开，只有在每按下一次启动按钮I2.6，M0.6才能得电一个扫描周期，程序执行一步，以此来实现单步执行，此时转换不允许。当系统处于连续工作状态时，M0.6始终得电，按下启动按钮I2.6后同时未按停止按钮I2.7之前，“连续”标志M0.7始终得电，系统首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7始终得电，其常闭触点断开，使得程序执行完一个周期后不在进入初始步M0.0，而是直接进入M2.0，开始了下一个周期的执行，以此来实现连续执行。当系统处于单周期工作状态时，M0.7不得电，M0.6得电，按下启动按钮I2.6后系统也是首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7不得电，其常闭触点闭合，当程序执行完一个周期后，返回初始步M0.0，此时程序再要执行必须重新按下启动按钮I2.6，以此来实现单周期执行。

3.4 手动程序设计

在手动程序中，为了保证系统安全运行，设置了上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，防止功能相反的两个输出同时为ON；限位开关I1.2的常开触点

闭合使得输出Q0.1置位得电，表示工件已夹紧；当左限位开关或右限位开关的常开触点闭合同时限位开关I0.7常开触点闭合时，输出Q0.1复位失电，表示工件已松开；I0.1~I0.4的常闭触点，限制机械手移动的范围；上限位开关I0.2的常开触点与控制左右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞；只允许机械手在最左边或最右边时上升、下降和松开工件。

3.5 自动回原点程序设计

自动回原点程序用起保停电路设计。在此工作方式下，I2.1为ON，按下启动按钮I2.6后，机械手可能处于三种情况下，应分别处理。

Q0.1为0状态，即机械手处于松开状态，应直接返回原点应进入上升步M1.4或左行步M1.5；若Q0.1为1状态同时机械手在最右边此时说明应执行下降步M1.2,；若Q0.1为1状态同时机械手不在最右边，应将工件先送到B点，再返回原点，进入步M1.0。

返回原点后，原点条件满足，公用程序中的原点条件标志M0.5为ON，此时I2.1为ON，M0.0在公用程序中置位，为进入自动工作方式作好准备。因此可以认为自动程序中的初始步M0.0是步M1.5的后续步。如下图：

图3返回原点梯形图

4心得体会

本课设在老师严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着他的心血和汗水，在这一周期间，也始终感受着同学之间的团结和无私的关怀，我受益匪浅。在此表示深深的感谢。

不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。是我了解到课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，PLC已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握PLC是十分重要的。

参考文献

[1] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社.2001

[2] 求是科技 PLC应用开发技术与工程实践人民邮电出版社

[3] 夏辛明可编程控制器技术及应用北京理工大学出版社

[4] 王也仿可编程控制器应用技术机械工业出版社

附录1 自动程序梯形图：

附录2 外部接线图：