成绩：
2011~2012学年第1学期 机电控制综合设计 课程设计 设计题目名称：
气动机械手控制系统设计 院系名称：
机电工程 专业班级：
学生姓名：
学 号：
指导教师：
材 料 目 录 序号 名 称 数量 备 注 1 课程设计任务书 1 2 课程设计说明书 1 3 图纸 0 4 5 6 2011 年 X月 X日 河南工业大学 目录之中。
机电工程学院 课程设计说明书 设计题目: 气动机械手控制系统设计 学生姓名：
学 号：
专业班级：
指导教师：
2011年 X 月X 日 内容摘要 本课题主要目的是通过S7-200PLC的设计，实现机械手的物料搬运，其中包括手动工作方式，回原位工作方式，单步工作方式，单周期工作方式，连续工作方式，以及一些关于安全保护类要求。具体来说包括实现机械手的各种动作控制，像上升、下降、左行、右行、夹紧以及放松的控制，另外该过程中还包括分析系统硬件要求，选择合适工作方式，选择合适的CUP以及合理分配I/O地址和完成PLC外部接线图，最后完成气动机械手的程序设计梯形图，并进行调试，完成语句表。
关键词:机械手 ；
S7-200PLC；
可编程技术 目 录 第1章 引言 1 第2章 系统总体方案设计 2 2.1气动机械手的控制要求 2 2.2气动机械手的气压传动系统 3 2.3系统的控制面板操作与工作方式 3 2.3.1 操作面板操作 3 2.3.2 气动机械手的工作方式 3 第3章 PLC控制系统设计 5 3.1可编程控制器的CPU选择 5 3.2气动机械手的I/O地址分配表 5 3.3 PLC外部接线图 6 3.4 气动机械手控制流程图 7 3.5 程序设计梯形图 8 结论 9 设计总结 10 谢辞 11 附录 12 参考文献 19 第1章 引言 由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；
车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；
点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用。
本课题拟开发物料搬运机械手，采用西门子系列S7-200PLC，对机械手的上升、下降、左行、右行、夹紧以及放松进行控制。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
第2章 系统总体方案设计 2.1气动机械手的控制要求 气动机械手动作示意图如图2-1所示，气动机械手的功能是将工件从A点搬运到B点，控制要求为：
图2-1 气动机械手示意图 1、气动机械手的升降和左右移动分别由不同的双线圈电磁阀实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动；
2、上升、下降的电磁阀线圈分别为MB2、MB1；
右行、左行的电磁阀线圈为MB3、MB4；
3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀MB5来实现，线圈通电夹紧，断电松开；
4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s实现；
5、机械手下降、上升、右行、左行的限位由行程开关BG1、BG2、BG3、BG4来实现。
2.2气动机械手的气压传动系统 图2-2气动机械手的气压传动系统图 2.3系统的控制面板操作与工作方式 2.3.1 操作面板操作 机械手用来将工件从A点搬运到B点，输出Q0.1为1时工件被夹紧，为0时被松开。工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板左下部的6个按钮式手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断负载电源，设置了交流接触器QA。PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，使QA线圈得电并自锁，QA的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。
2.3.2 气动机械手的工作方式 系统设有手动、单周期、连续、单步和回原点五种工作方式（如图2-3）。
1、手动工作方式时，用I1.3—I1.5以及I2.0—I2.2对应的6个按钮分别独立控制机械手的下降、上升、右行、左行、夹紧、放松；
2、回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；
3、单步工作方式时，从初始步开始，按一下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试；
4、单周期的工作方式时，按下启动按钮I0.0后，从初始步M10.3开始，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步；
5、连续工作方式时，按下启动按钮I0.0后，机械手按顺序功能图的规定连续循环工作，直到按下停止按钮。
图2-3气动机械手的控制面板 第3章 PLC控制系统设计 3.1可编程控制器的CPU选择 根据控制要求，分析后知所需17个输入5个输出，可以选择西门子S7-200系列的PLC：
1、CPU222(8DI/6DO x DC24V ) 价格为人民币1,826.00元和一个扩展模块EM221(16DI x DC24V) 价格为人民币1,022.00元，共需人民币2848.00元；
2、CPU224(14DI/10DO x DC24V ) 价格为人民币2,699.00元和一个扩展模块EM221(8DI x DC24V) 价格为人民币698.00元，共需人民币3397.00元；
3、CPU226(24DI/16DO x DC24V ) 价格为人民币4,857.00元。
在价格方面考虑理应选择CPU222(8DI/6DO x DC24V )和一个扩展模块EM221(16DI x DC24V)的PLC ，但是本次课程设计的目的是掌握PLC的控制思想，为简化绘图最终选择CPU226(24DI/16DO x DC24V )的PLC。
3.2气动机械手的I/O地址分配表 气动机械手的I/O地址分配表如表3-1所示：
表3-1 气动机械手的I/0地址分配表 控制信号 信号名称 元件名称 元件符号 地址编码 输入信号 启动 启动按钮 SF1 I0.0 下降停止 下限位开关 BG1 I0.1 上升停止 上限位开关 BG2 I0.2 右行停止 右限位开关 BG3 I0.3 左行停止 左限位开关 BG4 I0.4 回原位操作 回原位开关 - I0.5 停止 停止按钮 SF2 I0.6 手动操作 手动开关 - I0.7 单步操作 单步开关 - I1.0 单周期操作 单周期开关 - I1.1 输入信号 连续操作 连续开关 - I1.2 下降 下降按钮 SF3 I1.3 上升 上升按钮 SF4 I1.4 右行 右行按钮 SF5 I1.5 左行 左行按钮 SF6 I2.0 夹紧 夹紧按钮 SF7 I2.1 松开 松开按钮 SF8 I2.2 输出信号 下降 下降电磁阀 MB1 Q0.0 夹紧、松开 夹松电磁阀 MB5 Q0.1 上升 上升电磁阀 MB2 Q0.2 右行 右行电磁阀 MB3 Q0.3 左行 左行电磁阀 MB4 Q0.4 3.3 PLC外部接线图 PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计是结合系统的控制要求来设定的。气动机械手控制外部接线图如图3-1所示。
图3-1 CPU226的I/O接线图 3.4 气动机械手控制流程图 在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。
PLC工作原理：接通电源时系统启动开始扫描，扫描手动开关，是执行手动操作，手动操作不需要按工序顺序动作；
扫描回原点开关，是执行回原点操作；
扫描单步开关，是执行单步操作；
扫描单周期开关，是检测是否在原点，是执行单周期操作；
扫描连续操作，是检测是否在原点，是执行连续操作。除了连续操作以外，其他操作执行完以后自动重新扫描。
图3-2气动机械手控制流程图 3.5 程序设计梯形图 程序设计的梯形图如附录中的附图1所示，语句表如附录中的附表1所示。
结论 通过这次课程设计，我学到了很多东西，不仅有知识，还有很多其它意外的收获。
首先，通过这次课程设计我对PLC有了更为深刻的认识。对它的工作原理以及各种硬件组成都有很多认识，例如，我现在已熟练掌握了循环语句的编写，以及对语句调用也有了一定的掌握。另外我也深刻的体会到了去图书馆查找资料的重要性，因为刚开始我没有去查找参考文献，所以进展很慢，后来在老师的帮助下，我借了两三本关于PLC实例编程及讲解的图书，所以很快把梯形图给写了出来。
其次，在这次课程设计中我也体会到了团队合作的重要性。薛老师在第一天就把我们分成了六个小组，在小组中我学到了很多东西，对我感触最深得是大家从不同的角度去考虑问题，有的很具体，有的很有重点，不管怎样，这对我都有很深得影响，我想以后我做事也会多角度的思考。
最后，我还要感谢我的辅导老师——薛老师，在这次课程设计中他耐心的给我讲述了怎样避免PLC设计时常见的错误，并给我及时纠正，特别是对我的机械手的梯形图，薛老师给我提供了很多宝贵的意见。
设计总结 两周的课程设计很快过去了，在这短短的两周内我学到了很多东西，看见自己的程序能够运行，内心甚是激动，下面让我来总结一下我的设计过程。
在第一天我首先看了一下课本，对各种指令及使用有了一定的了解，包括基本逻辑指令，定时器，计数器，顺序控制指令和程序控制指令等，接下来我分析了书上简单的程序设计包括对定时器，计数器的应用。
接下来我去图书馆借了几本有关PLC编程实例及分析，我用了大概三四天的时间完成了CPU的选型，并初步完成了手动控制，及回原位控制的PLC梯形图设计。
然后我又用了大概两天把单步，连续及单周期的PLC梯形图写了出来，并把他们整合到了一块。
然后在星期一我们实验课的时候，我在实验室完成了程序的调试，并在老师的指导下进行了简化。
接下来开始撰写设计说明书，其中在万克明同学的帮助下，我花了三天才最终完成，因为以前办公文档学的不太好，所以有很多东西不能按要求设置。不过最终还是达到了老师的要求。
谢辞 在这里，我要感谢所有帮助我的人，是他们的及时帮助让我顺利完成了这次的课程设计。
首先，我对母校表示感谢，非常感谢学校给我们这样一个做PLC课程设计的机会，因为这次课程设计会让将要毕业的我们在找工作时更有竞争力。
其次，非常感谢老师对我们的指导，在这次课程设计中他耐心的给我们讲述了我们同学常见的错误，并给我们及时纠正，特别是我的机械手的梯形图，老师给我提供了很多宝贵的意见。虽然这只有短短两周，但是我从老师那里学到了很多东西，在这两周内我学会了常用PLC语句的编程方法，以及PLC类型的选择，还有最重要的是我学会了怎么来写课程设计说明书等等。
最后，我非常感谢所有帮助我的同学，特别是同学，他在我写课程设计说明书的时候给予了很大的帮助，他耐心的给我讲解办公文档的使用，最终我才顺利的完成说明书的撰写。
附录 附图1 气动机械手的PLC梯形图 附表1 气动机械手的PLC语句表 参考文献 [1] 田效伍. 电气控制与PLC应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2007. [2] 韦瑞录，麦艳红. 可编程控制器原理及应用[M]. 广州：华南理工大学出版社，2007. [3] 郁汉琪. 电气控制与可编程序控制器应用技术[M]. 南京：东南大学出版社，2003. [4] 郭艳萍. 电气控制与PLC控制技术[M]. 北京：北京师范大学出版社，2007. [5] 杨青洁. PLC应用系统设计指南[M]. 北京：机械工业出版社，2008. [6] 高勤. 可编程控制器原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2006.