機械設(shè)計課程設(shè)計說明書機械手PLC程序設(shè)計

1、 機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計 說明書青島理工大學(xué)琴島學(xué)院課程設(shè)計說明書課題名稱：plc課程設(shè)計學(xué) 院：機電工程系專業(yè)班級：機電一體化技術(shù)093班學(xué) 號：20090212087學(xué) 生：指導(dǎo)老師：青島理工大學(xué)琴島學(xué)院教務(wù)處 2011 年3月10日plc課程設(shè)計評閱書題目機械手plc程序設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號20090212087指導(dǎo)教師評語及成績指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日答辯評語及成績答辯教師簽名： 年 月 日教研室意見總成績： 室主任簽名： 年 月 日；目 錄摘要.序言.11 課題設(shè)計的題目及要求 1.1 課題設(shè)計的題目及要求1.2 課題設(shè)計的目的及意義2 可編程序控制器簡介 2.1 plc 的結(jié)構(gòu) 2.2

2、 plc 的特點 2.3 plc 的主要功能 2.4 plc 發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 3 設(shè)計機械手動作使用工具3.1 編程軟件 step7 的介紹3.2 仿真軟件 s7-200 的介紹 4 機械手動作模擬實現(xiàn)的設(shè)計 4.1 設(shè)計內(nèi)容 4.2 plc 的 i/o 的分配 4.3 plc 外部輸入輸出接線圖4.4 plc 程序設(shè)計 5 plc 仿真紹6 結(jié)論 參考文獻緒 論在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有 毒氣體等因素的危害或是物體太重，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。 自從機械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。 在本設(shè)計介紹了可編程控制器的研究和關(guān)于機械手的設(shè)

3、計， 描述了機械手控 制系統(tǒng)的工作原理和動作實現(xiàn)過程。 研究了基于plc的機械手模型控制系統(tǒng)的設(shè) 計，還了解了setp7在機械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用仿真軟件仿真了機械手的 動作實現(xiàn)，提供了較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機械手運行狀態(tài)，進而為維修和故障 診斷提供了多方面的可能性，充分提高了系統(tǒng)的工作效率。 關(guān)鍵詞：機械手 plc sttp7第一章 課題設(shè)計的題目及要求 1.1 課題設(shè)計的題目及要求 111 設(shè)計任務(wù) 用plc程序及實驗臺來實現(xiàn)機械手動作的模擬。 112 控制要求 一個將工件由 a 處傳送到 b 處的機械手，上升/下降和左移/右移的執(zhí)行用雙 線圈二位電磁閥推動氣缸完成。當(dāng)某個電磁閥線圈通

4、電，就一直保持現(xiàn)有的機械 動作，例如一旦下降的電磁閥線圈通電，機械手下降，即使線圈再斷電，仍保持 現(xiàn)有的下降動作狀態(tài)，直到相反方向的線圈通電為止。另外，夾緊/放松由單線圈 二位電磁閥推動氣缸完成，線圈通電執(zhí)行夾緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。 設(shè)備裝有上、下限位和左、右限位開關(guān)，它的工作過程如圖所示，有八個動作， 即為：啟動、停止用按鈕實現(xiàn)，限位開關(guān)用鈕子開關(guān)來模擬，電磁閥和原位指示燈 用發(fā)光二極管來模擬。 1.2 課題設(shè)計的目的及意義 機械手是工業(yè)自動化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。 近年來隨著工業(yè)自動 化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應(yīng) 用與鍛壓、沖壓、

5、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是 在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于 其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。 總之， 機械手是提高勞動生產(chǎn)率， 改善勞動條件， 減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段。 國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。 可編程序控制器(plc)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的實時工業(yè)控制裝 置。隨著微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的飛速發(fā)展，plc在硬件 配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步，已 經(jīng)成為工廠自動化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一 。 由于自動化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而 plc 也

6、具有其他控制方式所 不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易 學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用plc。機械手在美國、加拿大等國家應(yīng)用較多，如 用果實采摘機械手來摘果實、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機器人等。我國自動化水平 本身比較低，因此用plc來控制的機械手還比較少。本次課題設(shè)計的機械手就是 通過plc來實現(xiàn)自動化控制的。 通過此次設(shè)計可以更進一步學(xué)習(xí)plc的相關(guān)知識， 了解世界先進水平，盡可能多的應(yīng)用于實踐。第二章 可編程序控制器簡介 2.1 plc 的結(jié)構(gòu) plc結(jié)構(gòu)可分為整體式、模塊式和疊裝式。 (1)整體式plc 整體式plc是將電源、cpu、i/o部件都集中在一個機

7、箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低。一般小型 plc 采用這種結(jié)構(gòu)。例如，美國 ge 公 司的ge-i/j系列plc為整體式結(jié)構(gòu)。 (2)模塊式 plc 模塊式結(jié)構(gòu)是將 plc 各部分分成若干個單獨的模塊，如電 源模塊、cpu 模塊、i/o 模塊和各種功能模塊。模塊式 plc 由機架和各種模塊組 成。模塊式 plc 配置靈活，裝配方便，便于擴展和維修。例如，西門子公司的 s7-300 plc、s7-400 plc采用模塊式結(jié)構(gòu)形式。 (3)疊裝式plc 將整體式和模塊式結(jié)合起來，稱為疊裝式plc。它除了基本 單元外還有擴展模塊和特殊功能模塊，配置比較方便。例如，西門子公司的 s7-200 plc

8、就是疊裝式結(jié)構(gòu)形式。plc 和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分 組成的。 plc的硬件系統(tǒng)由微處理器(cpu)、 存儲器(eprom， rom)、 輸入輸出(i/o) 部件、電源部件、編程器、i/o擴展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線 (電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成 。其結(jié)構(gòu)簡圖如下： 圖2.1 plc硬件結(jié)構(gòu)圖plc的軟件系統(tǒng)是指plc所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和 用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個plc成品必須包括的部分，由plc廠家提 供，用于控制plc本身的運行，系統(tǒng)程序固化在eprom中。用戶程序是由用戶根 據(jù)控制需

9、要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的plc系統(tǒng)，他 們是相輔相成，缺一不可的。 2.2 plc 的特點 可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置， 其實 質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內(nèi)外現(xiàn)有的機械手系統(tǒng)，它們的控制形式 大都采用可編程序控制器控制， 特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè) 機械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍。其主要原因是因為plc具有以下優(yōu)點： 1）可靠性高、抗干擾能力強 2）配套齊全，適應(yīng)性強，應(yīng)用靈活 3）編程方便易于使用4）功能強，擴張能力強 5）plc控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)制方便 6）維修方便，維修工作量小 同樣，可編程序控制器控制也有

10、其不足的地方，在性價比上要高于繼電器控 制和單片機控制，其開發(fā)潛力要差于單片機，并且通用性不好，不同廠家的可編 程序控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。2.3 plc 的主要功能 plc 是一種應(yīng)用面很廣、 發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(fa)和計算機 集成制造系統(tǒng)(cims)內(nèi)占重要地位。 plc系統(tǒng)主要有以下功能： 1)多種控制功能； 2)數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能； 3)通信聯(lián)網(wǎng)功能； 4)輸入、輸出接口調(diào)理功能； 5)人機界面功能； 6)編程、調(diào)試功能。 plc的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有 所增加，但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格。另

11、外，采用plc還可以大大 縮短設(shè)計、編程和投產(chǎn)周期，使總價格進一步降低。plc產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā) 展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求。2.4 plc 發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 plc 的發(fā)展與計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技 術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，這些高新技術(shù)的發(fā)展推動了 plc的發(fā)展，而 plc 的發(fā)展又對這些高新技 術(shù)提出了更高、更新的要求，促進了它們的發(fā)展。plc 的發(fā)展速度十分驚人，目前用可編程 序控制器世紀(jì)自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。 現(xiàn)代plc的發(fā)展主要有兩個趨勢：一是向體積更小、速度更快、功能更強和 價格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠

12、性、好的兼容性和多功 能方面發(fā)展，以適應(yīng)不同場合和不同要求的控制需要。1、大型網(wǎng)絡(luò)化 為適應(yīng)大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的需求， 大型plc向著大存儲容量、 高速度、 高性能、 增加i/o點數(shù)的方向發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1)增強網(wǎng)絡(luò)通信功能 plc 將具有計算機集散控制系統(tǒng)(dcs)的功能。網(wǎng)絡(luò)化和強化通信能力是 plc 發(fā)展的一個重要趨勢。plc 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可將多個 plc、i/o 框架相連，同時可與 工業(yè)計算機、以太網(wǎng)、map網(wǎng)等相連構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。 2)發(fā)展智能模塊 為了滿足各種特殊功能的需要，各種智能模塊層出不窮。智能模塊是以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的 cpu 與 pl

13、c 的 cpu 并行工作，占用主機的 cpu 時間很少，有利于提高plc的掃描速度和完成特殊的控制要求。 3)外部故障診斷功能 plc廣泛應(yīng)用了自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)，不斷提高plc的可靠性。 同時，plc還不斷提高外部診斷功能。 4)實現(xiàn)軟件、硬件標(biāo)準(zhǔn)化 長期以來 plc 的研制走的是專門化道路，使其在獲得成功的同時也帶來許多 的不便。plc的硬件和軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。在硬件方面各 廠家的cpu和i/o模塊互不通用，通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議往往也是專用的。在軟件 方面，各廠家的plc的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達方式也不一致，甚至差 異很大，因而各廠家的plc互不兼容。

14、因此制定plc的國際標(biāo)準(zhǔn)已是今后發(fā)展的 趨勢。2、小型化 發(fā)展小型 plc，其目的是為了占領(lǐng)廣大的、分散的、中小型工業(yè)控制場合， 使plc不僅成為繼電氣控制柜的替代物， 而且超過繼電器控制系統(tǒng)的功能。 小型、 超小型、微小型plc不僅便于機電一體化，也是實現(xiàn)家庭自動化的理想控制器。 小型plc向著簡易化、體積小、功能強、價格低的方向發(fā)展。隨著plc技術(shù)的提 高，目前已將原有大、中型plc的功能移植到小型機上，使之具有靈活的組態(tài)特 性。 第三章 設(shè)計機械手動作使用工具 3.1 編程軟件 step7 的介紹 step7 編程軟件用于 simatic s7、c7 和 m7 和基于 pc 的 wina

15、c，是供它們 編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。為了在 pc 機上使用 step7，必須配置 mpi 通信卡或 pc/mpi 通信適配器， 將計算機接入mpi或profibus網(wǎng)絡(luò)， 以便下載和上載用戶程序及組態(tài)數(shù)據(jù)。 step7 允許多個用戶同時處理一個工程項目， 但不允許多個用戶同時對一個項目進行寫 操作（如程序及組態(tài)數(shù)據(jù)的下載） 。 在 step7 中，一個自動化系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)以項目（project）的形式來進行 組織和管理。一個項目包含了以下的三類數(shù)據(jù)。 1、硬件結(jié)構(gòu)的組態(tài)數(shù)據(jù)及模塊參數(shù)2、通信網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)數(shù)據(jù) 3、可編程模塊的程序 上述數(shù)據(jù)都以對象的形式存儲，step7采用目錄式的層次結(jié)

16、構(gòu)管理項目中的 所有對象。對象從上到下有三個層次： 第一層：項目； 第二層：通訊子網(wǎng)、plc站或s7程序； 第三層：第二層下面的具體對象，視第二層定。3.2 仿真軟件 s7-200 的介紹 s7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢 測、監(jiān)測及控制的自動化。s7-200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或 相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此s7-200系列具有極高的性能/價格比。 s7-200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從 替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與 自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民

17、用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、 民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械， 中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。 s7-200 系列 plc 可提供 4 個不同的基本型號的 8 種 cpu 供您使用。分別為 cpu221/222 1 個，cpu224/224xp/226 2 個，cpu221/222/224/224xp/226。第四章 機械手動作模擬實現(xiàn)的設(shè)計 4.1 設(shè)計內(nèi)容 1）計算輸入輸出點，編寫i/o對應(yīng)表及內(nèi)部元件使用表； 2). 編寫plc控制程序，要求可以實現(xiàn)手動、單周期及連續(xù)工作3種操作方 式； 3）完成實驗所需要的硬件接線； 4）利用實驗臺上的

18、開關(guān)、按鈕、小指示燈等，模擬演示其工作過程； 5）完成課程設(shè)計報告。 4.2 plc 的 i/o 的分配 輸入輸出連線列表 輸入sb1 sb2 sq1 sq2 sq3sq4sb3sb4動作 啟動停止 下限上限 右限 左限單周期 連續(xù)接線i0.0i0.7i0.1i0.2i0.3i0.4i0.5 i0.6輸出yv1 yv2yv3 yv4yv5 hl動作夾緊下降上升右移 左移 原位接線q0.1q0.2q0.3q0.4q0.5 q0.0輸入sb5 sb6 sb7 sb8動作 手動操作手動操作左右手動操作夾松手動操作上下接線 i1.0 i1.1 i1.2 i1.34.3 plc 外部輸入輸出接線圖4.4

19、 plc 程序設(shè)計 4.4.1 工作過程分析 在整體結(jié)果中使用跳轉(zhuǎn)指令，手動指令 i1.0 打開時，執(zhí)行手動程序；在單 周期指令i0.5打開時， 執(zhí)行周期程序； 在連續(xù)指令i0.6打開時， 執(zhí)行連續(xù)指令。 則程序整體結(jié)構(gòu)見附錄1： 1）單周期工作過程分析 當(dāng)機械手處于原位時， 上升限位開關(guān)i0.2、 左限位開關(guān)i0.4均處于接通 （ “1” 狀態(tài)） ，移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端接通，使 m1.0 置“1” hl 線圈接通，原位指示 燈亮。按下啟動按鈕，i0.0 置“1” ，產(chǎn)生移位信號，m0.1 的“1”態(tài)移m1.1， 下降閥輸出繼電器q0.2接通， 執(zhí)行下降動作， 由于上升限位開關(guān)i0.2斷開，

20、m1.0 置“0” ，原位指示燈滅。 當(dāng)下降到位時，下限位開關(guān) i0.1 接通，產(chǎn)生移位信號，m1.0 的“0”態(tài)移 位到m1.1，下降閥q0.2斷開，機械手停止下降，m1.1的“1”態(tài)移到m1.2，m1.2 線圈接通，m1.2 動合觸點閉合，夾緊電磁閥 q0.1 接通，執(zhí)行夾緊動作， ，m2.1 接通，同時啟動定時器 t37，延時 1.7 秒。機械手夾緊工件后，t37 動合觸點接 通，產(chǎn)生移位信號，使 m1.3 置“1” ，上升電磁閥 q0.3 接通，i0.1 斷開，m2.2 斷開，切斷定時器t37，執(zhí)行上升動作。由于使用s指令，m1.2線圈具有自保持 功能，q0.1保持接通，機械手繼續(xù)夾緊

21、工件。 當(dāng)上升到位時，上限位開關(guān)i0.2接通，產(chǎn)生移位信號， “0”態(tài)移位至m1.3， q0.3 線圈斷開，不再上升，同時移位信號使 m1.4 置“1” ， i0.4 斷開，右移閥 繼電器q0.4接通，執(zhí)行右移動作。待移至右限位開關(guān)動作位置，i0.3 動合觸點接通，產(chǎn)生移位信號，使 m1.3 的“0”態(tài)移位到m1.4，q0.4線圈斷開，停止右移，同時m1.4的“1”態(tài)已移到 m1.5，q0.2線圈再次接通，執(zhí)行下降動作。 當(dāng)下降到使i0.1動合觸點接通位置，產(chǎn)生移位信號， “0”態(tài)移至m1.5， “1” 態(tài)移m1.6，q0.2線圈斷開，停止下降，r指令使m1.2復(fù)位，q0.1線圈開， 機械手松

22、開工件；m2.2 接通，同時 t1 啟動延時 1.5 秒，t38動合觸點接通，產(chǎn) 生移位信號，使m1.6變?yōu)椤?”態(tài)，m1.為“1”態(tài)，q0.3線圈再度接通，i0.1 斷開，同時，m2.2斷開，切斷定時器t38，機械手又上升，行至上限位置，i0.2 觸點接通，m1.7變?yōu)椤?”態(tài)，m2.0為“1”態(tài)，q0.3線圈斷開，停止上升，i0.4 線圈接通，q0.5接通，i0.2斷開，左移。 到左限位開關(guān)位置，i0.4觸點接通，m2.0變?yōu)椤?”態(tài)，m1.0“1”態(tài)， 移位寄存器全部復(fù)位，機械手回到原位，完成一個工作周期。 接通 i0.7，則 m1.0，m1.1，m1.2，m1.3，m1.4，m1.5，m1.6，m1.7，m2.0 被置為“0狀態(tài)” 。再次按下啟動按鈕，將重復(fù)上述動作。此為單周期操作。 2）連續(xù)工作 連續(xù)工作操作，只需在單周期返回程序改為： 到達左限位開關(guān)位置，i0.4觸點接通，m2.0變?yōu)椤?”態(tài)，m1.1為“1”態(tài)，移位寄存器全部復(fù)位，機械手下降。自動程序控制圖見附錄二。 3）手動操作 左右運行時，接通手動左右移位開關(guān) t1.1，斷開其他運行方向的開關(guān)，按 下啟動按鈕機械手右行，按下停止按鈕機械手左行。 夾緊與松開時，接通手動夾送移位開關(guān) t1.2, 斷開其他運行方向的開關(guān)， 按下啟動按鈕機械手夾緊，按下停止按鈕機械手