显像管搬运机械手控制设计.docx

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显像管搬运机械手控制设计

机电传动课程设计说明书

显像管搬运机械手控制设计

姓名叉叉叉

班级081016

学号叉叉叉

专业机械设计制造及其自动化

组别18组

日期

成绩

指导教师叉叉叉

前言............................................................................................3

摘要............................................................................................4

第一部分

PLC概述....................................................................................6

设计任务书.................................................................................13

第二部分

显像管搬运机械手中元器件的选择.......................................15　　　　　　控制方案论证及控制过程.........................................................15

端子接线图................................................................................16

显像管搬运机械手顺序功能图.................................................17

梯形图.........................................................................................18

指令表........................................................................................21

总结............................................................................................29

参考文献....................................................................................31

前言

　“机电传动控制”是机械设计制造及其自动化专业的一门专业基础课。

它是研究解决与生产机械的电气传动控制有关的问题,介绍常用控制电路以及控制电路设计,以及可编程控制器的原理和编程等。

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。

经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。

世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。

限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。

此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

　我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。

最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。

接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。

目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。

　　21世纪，PLC会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

摘要

可编程控制器（ProgrammableController）是以微处理器为核心，综合了微电子技术，自动化技术，网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。

英文缩写为PC或PLC。

它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更得到用户的好评。

因而在机械、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱之一。

近年来，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。

为此，各高校的电气自动化、电气工程、供用电技术、机电一体化等相关专业相继开设了有关可编程控制器原理及应用的课程。

高等工科院校的培养目标的首要任务是培养具有创新精神和实践能力的各类技术人才，这种人才培养目标的实现必须有一定的实践教学环节。

学生通过实践教学环节的训练与锻炼，才能在实践中不断巩固和加深理论知识，提高独立工作能力和创新能力。

实训是各种实践性环节的综合训练，是工程实用技能的训练。

可编程控制器应用技术是先进的自动化控制技术，是亟待掌握的实用技术，对于这样一门应用性广、实践性强的专业课，必须通过各种形式的实训环节，构筑实践环境，强化工程意识，提高应用能力。

在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。

工业机械手就这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。

电气方面有电机、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。

该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。

机械手是由PLC输出三路来分别驱动左右移动、上下升降和手部的夹紧放松。

工业机械手模型可在空间按固定动作抓放单个物体，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业。

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用在工业生产和其他领域内。

应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

本文以CTS7222-1BL22型的PLC为基础，介绍PLC在机械手搬运控制中的应用，并给出了详细的PLC程序设计过程。

该程序已在工业机械手中获得了广泛应用，具有稳定、可靠的性能。

关键词：

PLC,机械手,控制应用,可编程控制器，机械手，手动控制，自动控制

第一部分PLC概述

　“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

一．PLC的特点如下：

1.可靠性高，抗干扰能力强　　

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

2,.硬件配套齐全，功能完善，适用性强　　

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

的安装接线方便，一般用接线端子连接外部接线。

有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

5、易学易用，深受工程技术人员欢迎　

　PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

6、系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造　　

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

　　PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

7、体积小，重量轻，能耗低　　

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。

它的重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2、 PLC发展史

1、可编程控制器的硬件发展

可编程控制器的10项招标指标1968年，美国通用汽车公司（GM）根据多品种、小批量、不断翻新汽车品牌的战略思想，以降低生产成本，缩短新产品开发周期为设想，针对汽当时车生产线的自控系统现状：

工装基本上由继电器控制装置构成。

当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，因而继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。

2.可编程控制器的发展从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：

（1）、初级阶段：

从第一台PLC问世到20世纪70年代中期

由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。

CPU由中小规模数字集成电路构成。

主要产品有：

MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。

第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准。

（2）、扩展阶段：

从20世纪70年代中期到70年代末期

这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。

扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。

这一阶段的产品有MODICON的184，284，384，西门子公司的SIMATICS3系列，富士电机公司的SC系列产品。

通信阶段：

20世纪70年代末期到80年代中期

这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。

但是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。

由于在很短的时间内，PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。

其次，产品功能也得到很大的。

（3）．开放阶段：

从20世纪80年代中期开始

由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放功能上有较大发展。

主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。

此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。

这一阶段的产品有西门子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德维森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司与合控电气公司所开发的OPENPLC等。

三、PLC的结构及各部分作用

PLC主要由中央控制单元（CPU）、存储器（RAM或ROM或 ）输入输出模块（I/O）部分、电源和编程设备组成（见图1-1），有的PLC还可以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊的任务。

术语“体系结构”是指PLC的硬件，或软件，或者二者的结合。

开放式的体系结构，是指系统使用现成的标准组件，能方便的与其它生产厂家的设备和程序兼容。

封闭的体系结构是指该系统为专用的并且与其他系统不兼容。

目前，大多数PLC系统从本质上讲都是封闭的系统，所以使用时必须确定所选用的硬件和软件与所使用的PLC是兼容的。

1．中央控制单元CPU 

2．      CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。

CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。

这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。

CPU的功能有以下一些：

从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。

 2.I/O模块 

   I/O系统构成了现场设备与控制器连接的接口，作用就是从使现场接收到的信号或送到现场的信号达到处理器的要求。

输入（1nput）模块和输出（Output）模块简称为I／O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号。

开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号。

    开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入／输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。

从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。

在I／O模块中，用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I／O电路，I／O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

  3．编程器设备 （或称编程终端）  

    编程设备用来向存储器中写入程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。

手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。

它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。

个人计算机（PC）是最常用的编程设备。

使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。

程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。

程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。

   4．电源    

    PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。

内部的开关电源为各模块提供DC 5V，±12V，24V等直流电源。

小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

四、 PLC的工作原理及过程

PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。

PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

1．输入处理

输入处理也叫输入采样。

在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。

在此输入映象寄存器被刷新。

接着进入程序执行阶段。

在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

2.程序执行阶段

　　根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。

对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3.输出处理阶段

程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

五、PLC应用领域

1．用于顺序控制

顺序控制是根据有关输入开关量的当前与历史的状况，产生所要求的开关量输出，以使系统能按一定顺序工作。

这是系统工作最基本的控制。

2．用于过程控制

过程控制要用到模拟量。

模拟量一般是指连续变化的量，如电流、电压、温度、压力等物理量。

过程控制的目的就是，根据有关模拟量的当前与历史的输入状况，产生所要求的开关量、或模拟量输出，以使系统工作参数能按一定要求工作。

是连续生产过程最常用的控制。

过程控制的类型很多。

3．用于运动控制

运动控制主要指，对工作对象的位置、速度及加速度所作的控制。

可以是单坐标，即控制对象作直线运动；也可是多坐标的，控制对象的平面、立体，以至于角度变换等运动PLC也已具备处理脉冲量的能力。

4．用于信息控制

信息控制也称数据处理，是指数据采集、存储、检索、变换、传输及数表处理等。

随着技术的发展，PLC不仅可用作系统的工作控制，还可用作系统的信息控制。

5．用于远程控制

远程控制是指，对系统的远程部分的行为及其效果实施检测与控制。

六、可编程控制器梯形图设计规则

1．触点的安排

梯形图的触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。

2．串、并联的处理

在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。

在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。

3．线圈的安排

不能将触点画在线圈右边，只能在触点的右边接线圈。

4．不准双线圈输出

如果在同一程序中同一元件的线圈使用两次或多次，则称为双线圈输出。

这时前面的输出无效，只有最后一次才有效，所以不应出现双线圈输出。

5．重新编排电路

如果电路结构比较复杂，可重复使用一些触点画出它的等效电路，然后再进行编程就比较容易。

6．编程顺序

对复杂的程序可先将程序分成几个简单的程序段，每一段从最左边触点开始，由上之下向右进行编程，再把程序逐段连接起来。

设计任务书

1.课程设计题目：

显像管搬运机械手控制设计

工作原理简介及控制要求：

1.机械手完成“从原位伸出，到指定传送显像管位置取显像管，再摆动清洗机处清洗显像管，转盘回转到原位”的工作循环。

机械手的各个动作由汽缸驱动。

2.按停止按钮，完场当前循环后再停。

3.按复位按钮，立即返回原位停止。

4.要求可以实现手动,单周期，连续控制。

2.显像管搬运机械手的控制过程及要求如下：

1.初始状态：

由选择快关（连续或单周期）接通初始状态，机械手需处于初始端，左限位开关闭合。

2.按启动按钮00001，执行下列程序：

（1）.显像管开始传送，显像管传送到位后，燕尾伸出，伸出到位后，下臂开始抬起，抬起到位后。

燕尾开始缩回定时器3s，如果定时器TIM0013s时间未到还缩回到位就执行钳口合拢和调整电动机工作，如果3s时间到未缩回到位就开始报警5s时间到后返回初始位置。

（2）.当钳口合拢到位时，同时执行钳口打开和吸盘开始吸显像管当钳口打开到位和定时器TIM0023s时间到后，清洗机到位，摆动到清洗机，摆动到后，定时器TIM003定时2s，2s时间到后开始燕尾在伸出和转盘开始回转。

（3）.当燕尾伸出到0004和转盘回转到00009后，下臂开始下放。

当下臂下放到下限位开关后，燕尾开始缩回，缩回到左限位开关后，吸盘开始下降，当下降到到下限位开关后，吸盘放显像管和定时器TIM004开始定时3s，3s时间到后开始执行吸盘上升和摆动复位、定时器TIM005开始延时2s，当时间到后和摆动到位后和吸盘上升到位后开始等待。

3.循环：

如果选择开关选择单周期档位，当时间到和摆动复位和吸盘上升后直接返回到初始步，等待下一次接通。

如果选择的的是连续档位，则就会回到状态自动开始下一周期循环。

如果选的是手动档位，每一步都是由手动按钮开关控制。

4.复位：

按动00003，停止一切操作，同时接通吸盘上升和摆动复位、回转复位、下臂下放、燕尾缩回到原点。

5.停止：

按动停止按钮00001，需运行当前循环后再停。

第二部分

一、机械手中元器件的选择：

1.PLC主机：