简易物料搬运机械手的PLC控制系统设计

电气控制系统和PLC课程设计

题目：简易物料搬运机械手的PLC控制系统设计 系 别： 机械工程学院

专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机自081班 时 间：2011年12月1日 指导教师： 冯治国

1.设计的目的

1通过课程设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识及基本技能进行分析和解决实际问题的能力。

2使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。

3使学生掌握简易机械手的电器工作原理。

2设计内容

1． 目录

2．原理介绍和分析部分 3．根据要求选择系统方案

4．PLC选择及I/O及其它PLC元器件分配 5．程序框图和程序设计 6．心得体会 。

3．设计任务和要求

1. 提交报告一份（主要组成：功能阐述、流程图、I/O分配、电气原理图、

梯形图） 2. 字数＞3000

3. 报告相似程度＞80%，按不及格处理 4. 交作业时间：12.3 4器材

简易物料搬运机械手 5参考资料

1宫淑贞 徐世许 主编 《可编程控制器原理及使用》 北京人民邮电

出版社 2009.4

一、 机械手的控制及说明

一、课题内容

1.如图所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作台，由光耦合器VLC来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀(称为夹紧电磁阀)控制。

机械手工作循环过程示意图如图2所示。从图中可见，机械手工作循环过程主要有8个动作，

即为：

图1 机械手结构示意图

二 机械手的控制系统要求分析

机械手动作示意图如图1所示。其全部动作由汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀和继电器控制。其中，上升／下降和左移／右移分别由双线圈两位继电器控制。下降继电器线圈通电时，机械手下降；下降继电器线圈断电时，机械手下降停止。只有上升继电器线圈通电时，机械手才上升；上升继电器线圈断电时，机械手上升停止。同样，左移／右移分别由左移继电器和右移继电器控制。机械手的放松／夹紧由一个单线圈(称为夹紧电磁阀)控制。该线圈通电，机械手夹紧；该线圈断电，机械手放松。

机械手的动作过程如图2所示。从原点开始按下启动按钮时，下降继电器线圈通电，机械手开始下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降继电器线圈断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升继电器线圈开始通电，机械手上升；上升到顶时，碰到上限位开关，上升继电

器线圈断电，上升停止；同时接通右移继电器，机械手右移，右移到位时，碰到右移极限位开关，右移继电器线圈断电，右移停止。此时，右工作台上无工作，则光电开关接通，下降继电器线圈接通，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关下降继电器线圈断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，放松后，上升继电器线圈通电，机械手上升，上升到极限时碰到极限位开关，上升继电器断电，上升停止；同时接通左移继电器，机械手左移；左移到原点时，碰到左极限开关，左移继电器线圈断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。

三 PLC的共有选型及I/O口接线图

根据控制要求共有20个输入和5个输出，共有25个点数，按照设计要求和需要我们选用了三菱FX系列中的FX2-48 MR作为设计主体，其输入和输出接线图及控制面板如图所示： 回原点启动 X15 上升 X5 左移 X6 右移 X7 X21 夹紧 急停 手动X10 回原点X11 单步运行 X12 单周期X13 自动 X14 电源 X4 下降 X22 松开 X8 X23 停止 启动 操作面板示意图

L1 LLQF FV 上升/下降 KM3 KM1 KM2 FR QF QF 左/右移 KM5 夹紧/放松

KM4 M1 M2 YA4 外围接24V PLC机械手主

I/O口分配表 名称 输入信号 代号 输入点编码 名称 输出信号 代号 输出点编码 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 上限位 下限位 左限位 右限位 下降点 上升点 左移点 右移点 启动 手动操作 回原点 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SA1-1 SA1-2 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X10 X11 上升 下降 右移 左移 夹紧 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 单步 单周期 自动 回原点启动 全自动 停止 夹紧 放松 工作检测 SA1-3 SA1-4 SA1-5 SB6 SB7 SB10 SB8 SB9 ST5 KV1 KV2 KV3 KV4 KV5 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X21 X22 X20 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 220V/380V 外围电路（1） ST1

X0X1X2X3X4X5X6Y0

ST2ST3ST4SB1SB2SB3SB4SB5KV1KV2KV3Y1X7四 初始化程序设计

外围电路（2） Y2 ---- PLC

X11PLC中输出Y0时，KV1 导通同时接触器KM1导通继电器动作，机械手上SA1-3SA1-4SA1-5SB6SB7SB8SB9SB10SB11X12COMPLCSA1-2Y3在主电路中KM1、KM2、KM3、KM4为继电器，KV4YA4是电磁阀。 当SA1-1X10X24X13Y4X14X15X16KV4 X17X21X22X20COMKV5COM升；当KM2通电时继电器动作，机械手下降；当KM3导通时继电器动作，机械手右移；当KM4导通时继电器动作，机械手左移；当KM5通电时电磁阀动作，使机械手夹紧或放松，而图中的FV为短路保护，FR为过载保护。M8044特殊辅助继电器作为原点位置条件用，当原点位置条件满足时

M8044接通。

1．为了使I ST指令在每个扫描周期内均执行，用PLC“RUN”时ON和M 8000驱动。

2．使用IST指令时五种工作方式加三种必要的按钮，共八种控制信号： A手动方式 B回原点方式 C单步方式 D单周期方式 E自动连续方式 F回原点方式 G启动按钮 H停止按钮

3．使用IST指令后，PLC自动把状态元件S中S0—S2分配给了3大

类模式的初始化状态用，且规定S0用于手动，S1用于回原点，S2用于自动/单步/单周期。S10—S19用于回原点程序模块中的状态。因此，指令格式中的S20是用户可以分配给自动/单周期/单步的最小状态号。下图为置初始状态IST指令自动动作的特殊辅助继电器M8040—M8047的动作内容。

M8040是禁止转移用辅助继电器，当M8040=ON时就禁止所有状态转移，手动状态下M8040总是接通的。在原点、单周期运动时按动停止按钮后一直到再按启动按钮的时间内，M8040一直保持ON状态。单步执行时M8040常通，但是再按动启动按钮时，M8040=OFF，使状态可以顺序转移一步。

转移开始特殊辅助继电器M8041是初始状态S2向另一状态转移的转移条件辅助继电器。手动加原点M8041不动作，单步、单周期时，仅在按动启动按钮时动作，自动时按启动按钮后保持为M8041=ON，按停止按钮后M8041=OFF。

启动脉冲辅助继电器M8042是在启动按钮按下时瞬间接通。特殊辅助继电器M8044是原点条件，M8043是回原点结束，这两个元件应由用户程序控制。 1 手动方式程序

手动方式梯形图程序如图所示，S0手动方式的初始状态，手动方式的夹

紧、放松及上升、下降是由相应的按钮来控制的。

将选择开关拨到手东方示（X10置1）按启动按钮（X24），S0获得状态，按下降开关X6，下降开始直到碰到下限位开关（X1）下降结束，在按下夹紧开关（X21）夹紧动作开始（Y4置1），按下上升开关（X4）上升动作开始，当动作碰到上限位开关（X0）上升结束；按下右移开关（X7）右移动作开始，直到碰到右限位开关（X3）动作结束；按左移开关（X6）动作左移，直到碰到左限位开关（X2）动作结束，按放松按钮（X22）机械手方松（Y4复位0）。

2 回原点方式程序

在我们的自动/单步/单周期运行之前我们通常要让机械手回到原点，才能让他完成自动运行的动作。

回原点方式也属于自动程序的一种，在机械手的自动操作中，由于操作的动作复杂不容易直接设计出梯形图，可以先画出自动操作的流程图，用以表示动作的顺序和转换的条件，然后根据所采用的控制方法设计梯形图比较简单，所以后面的自动程序都采用流程图来完成。

将操作板上的工作方式打到回原点位置（X11,S1置1），此时S1获得信号。当按下回原点启动开关（X11），S10得到信号，同时下降运行停止，机械手松开，上升运动开始，直到碰到上限位开关（X0）接通S11，此时右移停止，左移运动开始，直到碰到左限位开关（X2）接通S12，此时输出M8043回归完成，信号自动返回给S12，动作结束。其原理如图所示：

3 自动方式控制

在自动程序中包括单周期、单步运行方式。将控制面上的工作方式拨到自动工作方式（X14），然后按启动按钮（X24），此时M8041导通置1（附：在使用自动单步运行、单周期运行之前我们都得先回原点使M8044通过置

1），此时S2导通到S21，下降动作开始，直到碰到限位开关（X1），停止下降，导通S26，并停留2秒钟，然后导通S27，机械手放松并开始上升，直到碰到上限位开关，上升停止。S28导通，机械手左移，碰到左限位开关，信号返回给S2，达到循环动作，直到按下停止开关(X17)，所有动作停止。下图为自动方式的梯形图和状态图

自动方式梯形图如下图所示

4 单步运行、单周期运行

将控制面板上的工作方式拨到单步工作方式上，每按一次启动按钮机械手就运到一次运动一个步骤。将开关拨到单周期工作方式上，按动一次启动按钮机械手自动完成一个周期的动作，其工作原理和自动方式一样。 5 程序的语句表

手动方式、回原点方式、自动、单步、单周期方式语句表分别为：

（1） 初始状态语句表 步 序 0 1 2 3 4 5 (2)

手动状态语句表

指 令 LD X0 AND X2 ANI Y4 OUT M8044 LD M8000 IST X10 S20 S28 步 序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 指 令 STL S0 L D X21 RET Y4 L D X22 RST Y4 L D X5 ANI Y1 ANI X0 OUT Y0 L D X4 ANI Y0 ANI X1 步 序 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 指 令 OUT Y1 L D X7 ANI X0 ANI X2 ANI Y2 OUT Y3 L D X7 ANI X0 ANI X3 ANI Y3 OUT Y2 (3)自动方式语句表 步 序 指 令 步 序 指 令 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 步 序 STL S2 L D M8041 AND M8044 SET S21 STL S21 OUT Y1 L D X1 SET S22 STL S22 OUT TO K20 L D T0 SET S23 STL S23 SET Y4 OUT Y0 L D X0 SET S24 STL S24 OUT Y2 L D X2 指 令 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 步 序 SET S25 STL S25 LDI X20 OUT Y1 L D X1 SET S26 STL S26 OUT T1 K20 L D T1 SET S27 STL S27 SET Y4 OUT Y0 L D X0 SET S28 STL S28 OUT Y3 L D X3 OUT S2 RET 指 令 (4) 回原点方式语句表

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 STL S1 L D X15 SET S10 STL S10 RST Y4 RST Y1 OUT Y0 L D X0 SET S11 STL S11 10 11 12 13 14 15 16 17 18 RST Y2 OUT Y3 L D X2 SET S12 STL S12 SET M8043 RST S12 OUT S12 RET 指 令 L D X12 ORB L D X13 AND X17 (5 ) 内部单步、单周期自动梯形图的语句表 步 序 指 令 步 序 0 L D X14 15 1 OR X24 16 2 AND M8041 17 3 ANI X17 18 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 AND X12 OR X13 L D X14 ORB L D X24 OR X15 ANI X10 SET M8042 L D X10 L D X11 AND X17 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 ORB L D M8002 ORB L D M8042 ORB ANI M8042 ORB OUT M8040 L D M8000 OUT M8047 四 设计小节

本次设计完成了简单的机械手的工作原理及PLC电气部分的设计。在这段时间的设计中，参考了大量的参考资料，同时我们也作了大量的社会调查，结合实际完成了这套设计。

通过这段时间的设计，我初步掌握了设计的方法和要求，为以后走上工作岗位打下了一定的基础，实现了理论和实践相结合的初步转变。 机械手是一种机械和电气紧密相结合的运输产品。随着可编程控制器在工业中的广泛使用，也使机械手子效率和人力方面得到了很大的改变。 这次设计使我感最深的是：作为一个设计人员，当接到这份设计任务之后，应该怎么去查资料，怎样和合伙伙伴同台设计、调试。

本次设计的成功要感谢指导老师给我们的指导和学校给我们提供的试验器材，同时在学校的引导以及老师的指导下，我们更加充分了所学知识的总结和巩固，也提高了对设计的热情。