plc課程設計---機械手臂搬運加工流程控制設計

1、<p><b>　　計算機科學學院</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　課程 PLC課程設計</p><p>　　題目機械手臂搬運加工流程控制設計</p><p><b>　　年級09級</b></p><

2、p><b>　　專業(yè)</b></p><p><b>　　姓名</b></p><p><b>　　學號</b></p><p><b>　　指導老師</b></p><p>　　課題 56：機械手臂搬運加工流程控制設計</p><

3、;p><b>　　一、控制要求</b></p><p>　　1．如圖所示，有兩部機械對工作物進行加工，對象由輸送帶 A 送到加工位置，然后由機械手臂將加工物送至工作臺 1 的位置進行第一步驟加工。當?shù)谝徊襟E加工完成后，機械手臂將工作物夾起再送至工作臺2 進行第二步驟加工；當?shù)诙襟E加工完成后，機械手臂將工作物放到輸送帶 B 送走，然后由 7 段數(shù)碼管顯示加工完成的數(shù)量。</p&g

4、t;<p>　　2．假設使用氣壓機械手臂，一開始手臂先下降，碰到下限開關開始做夾起動作，然后開始上升碰到上限開關后，手臂開始往右，當碰到第一工作站的極限開關時，機械手臂下降將工作物放置工作臺 l 然后上升等待機械對工作物加工；當工作物第一加工步驟完成時，機械手臂再依進行下降一夾住一上升一往右一下降一釋放等流程，將工件放置工作臺 2 上進行第二加工步驟。</p><p>　　3．當?shù)诙庸げ襟E完成時，

5、機械手臂再依進行下降一夾住一上升一往右一下降一釋放等流程，將工件放置輸送帶 B 送出，并由 7 段數(shù)碼管顯示出加工完成的數(shù)次。</p><p>　　二、設計任務主要內(nèi)容包括：</p><p>　　1. 設計出硬件系統(tǒng)的結構圖、接線圖、時序圖等；</p><p>　　2. 系統(tǒng)有啟動、停止功能，設計梯形圖控制程序及人機界面設計調(diào)試運行；</p><

6、p>　　3.課程設計報告要做到層次清晰，論述清楚，圖表正確，書寫工整；詳見“課程設計報告寫作要求”。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引言3</b></p><p><b>　　1.課題要求3</b></p><p>　　2. 系

7、統(tǒng)總體方案設計3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理3</p><p>　　2.2 PLC I/O分配表3</p><p>　　2.3 PLC外部接線圖3</p><p>　　3. 控制系統(tǒng)設計3</p><p>　　3.1 控制順序功能圖3</p><p>　　3.

8、2 控制程序設計思路3</p><p>　　3.3 創(chuàng)新設計3</p><p>　　3.3.1 正常工作3</p><p>　　3.3.2 正常停止3</p><p>　　3.3.3 緊急停止3</p><p>　　3.3.4 計數(shù)器復位3</p><p>　　3.3.5 系統(tǒng)復位

9、3</p><p>　　4. 人機界面設計3</p><p>　　4.1 CX_Designer簡介3</p><p>　　4.2 畫面制作與設計3</p><p><b>　　5. 仿真調(diào)試3</b></p><p>　　6. 問題匯總及解決辦法3</p><p&

10、gt;<b>　　總結語3</b></p><p><b>　　參考文獻：3</b></p><p><b>　　附錄3</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，越來越多的自動化設備已

11、經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的人工參與工作的工業(yè)生產(chǎn)流程。傳統(tǒng)的人工參與工作，不僅危險性高，而且生產(chǎn)效率低，人為因素的影響可能會使整個生產(chǎn)流程崩潰，因此，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)應該被先進的自動化生產(chǎn)所取代。如今，越來越多的自動化生產(chǎn)設備的應用，使得工業(yè)生產(chǎn)中的各種難題都迎刃而解。例如，機械手臂的應用，解決了人工不能在高溫、高腐蝕、高輻射的環(huán)境中工作的問題，而且機械手臂的應用，提高了生產(chǎn)工件的精度和壽命等。因此，如何設計機械手臂的加工工作流程，成為我們今天主

12、要討論的問題，本文將介紹基于PLC的機械手臂搬運加工的控制設計，該系統(tǒng)具有循環(huán)工作、緊急停止、正常停止等工作模式，具有自動上升、下降、夾緊、松開、加工、計數(shù)等功能，可以自動的完成對工件的加工流程，以及記錄顯示加工完成的數(shù)目。</p><p>　　機械手臂搬運加工流程控制設計</p><p><b>　　1.課題要求</b></p><p>　　

13、根據(jù)課題的控制要求，我們可以知道機械臂的工作過程如下：</p><p>　　A處有物件，機械臂向下夾緊1處加工完，機械臂向下夾緊物件</p><p>　　并上升，物件將物件運送到1加工臺并上升，將物件運送到2加工臺</p><p><b>　　返回</b></p><p>　　2處加工完，機械臂下降夾緊物件并送到工作臺B

14、</p><p>　　圖一機械臂的工作過程</p><p>　　由機械臂的工作過程我們可以簡單描述為，當機械臂在A工作臺上方（即原點處）且物件在工作臺A上，按下啟動按鈕時，機械臂會向下運動，到達下限后將物件夾緊上升，上升到上限則機械臂向右轉移，碰到1處限位開關機械臂向下直到碰到下限開關后松開物件，繼而機械臂上升，待機械臂上升到上限時，1處開始加工，1處加工完成后，機械臂將下降→夾緊→上升→

15、到工作臺2→下降→松開→上升→2處加工，2處加工完成后，機械臂又下降→夾緊→上升→到工作臺B→下降→松開→上升→工作臺B將物件運出→機械臂回到原點，執(zhí)行下一周期的工作。</p><p>　　由機械臂的工作流程可見，機械臂的運動過程以及工作臺的加工過程，其實就是PLC輸入輸出的控制過程，因而我們的課題設計目的就是通過PLC的編程控制，實現(xiàn)工業(yè)機械臂自動化加工的目的。我們可以通過編程控制PLC從而控制整個加工的工作流

16、程，由機械臂的工作過程我們可以得出PLC順序功能圖，如圖（見下一頁）：</p><p>　　2. 系統(tǒng)總體方案設計</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理</p><p>　　本系統(tǒng)設計是基于歐姆龍CJ1M系列PLC的機械臂加工流程控制設計，整個系統(tǒng)組成框架如圖：由于PLC引腳所能承受的電壓范圍有限,所以在PLC在與外界大電壓相接時，需要轉換電路進行保護

17、，由轉換電路與外界大電壓電流器件相接，實現(xiàn)PLC間接控制且保護PLC的目的。</p><p><b>　　圖二系統(tǒng)結構框圖</b></p><p>　　2.2 PLC I/O分配表</p><p>　　在表一中，給定了本次設計的外部引腳分配圖，在表格中可以清晰地了解到PLC</p><p>　　表一 PLC IO引腳分配

18、圖</p><p>　　2.3PLC外部接線圖</p><p>　　由表一的IO分配表，我們可以繪制PLC外部接線圖如圖：</p><p>　　圖三 PLC外部接線圖</p><p><b>　　3. 控制系統(tǒng)設計</b></p><p>　　3.1 控制順序功能圖</p><

19、p>　　由課題控制要求及分析，我們可以得到本系統(tǒng)的順序功能圖如右圖：</p><p>　　由順序功能圖設計梯形圖，首先設計每一步工序的梯形圖，然后再添加每一步工序的執(zhí)行命令。</p><p>　　我們采用歐姆龍的程序編程軟件CX_Programmer進行梯形圖的繪制設計，有關CX_Programmer的使用方法可參見實驗指導書。</p><p>　　3.2 控

20、制程序設計思路</p><p>　　根據(jù)順尋功能圖，我們可以方便的編寫梯形圖，在編寫梯形圖時需注意的是，每一步成立的條件是前一步為活動步加其他條件，以及該步被斷開的條件是該步的下一步或其他。</p><p>　　由圖二的順序功能圖，我們可以編寫以下梯形圖。</p><p><b>　　步20.00</b></p><p>

21、;　　由順序功能圖可知，當工作臺A上有物件（即0.15=1）、機械臂在原點（即上限0.02=1,A限0.04=1）時，按下啟動按鈕，則啟動步20.00，除此之外，當步20.07是活動步時，1處加工完（即0.10=1）或是2步加工完（即0.11=1）也能觸發(fā)啟動20.00，當步20.11是活動步且滿足工作臺A上有物件（即0.15=1）、機械臂在原點（即上限0.02=1,A限0.04=1）時，步20.00被啟動，所以步20.00的梯形圖設計

22、如圖：</p><p><b>　　圖四步20.00</b></p><p>　　當步20.00啟動后，將要執(zhí)行的工作機械臂向下運動，同時為了方便仿真調(diào)試，步20.00同時復位0.03、0.08、0.02、0.04，即復位到1處、到2處、上限位、到A處的限位開關，在實際應用中可不用。步20.00要執(zhí)行的操作設計如圖：</p><p>　　圖五步

23、20.00操作</p><p><b>　　步20.01</b></p><p>　　由順序功能圖可知，當步20.00處于活動步，機械臂下降至下限位開關并觸發(fā)下限位開關（即0.01=1）時，步20.01啟動。步20.01的梯形圖設計如圖：</p><p><b>　　圖六步20.01</b></p><

24、p>　　當步20.01啟動后，將執(zhí)行的操作是夾緊物件（即1.01=1），并定時夾緊時間。步20.01要執(zhí)行的操作設計如圖：</p><p>　　圖七步20.01操作</p><p><b>　　步20.02</b></p><p>　　由順序功能圖知，當步20.01為活動步，夾緊定時時間到后（即T0=1），機械臂開始上升。步20.02的梯

25、形圖設計如圖：</p><p><b>　　圖八步20.02</b></p><p>　　步20.02啟動后，機械臂開始上升，步20.02要執(zhí)行的操作設計如圖：</p><p>　　圖九步20.02操作</p><p><b>　　步20.03</b></p><p>　　由

26、順序功能圖知，當步20.02為活動步，機械臂上升到上限并觸發(fā)上限位開關（即0.02=1）時，步20.03啟動，當步20.11啟動后，步20.03也將被啟動。步20.03的梯形圖設計如圖：</p><p><b>　　圖十步20.03</b></p><p>　　步20.03啟動后，機械臂開始向右移動。步20.03要執(zhí)行的操作設計如圖：</p><p

27、>　　圖十一步20.03操作</p><p><b>　　步20.04</b></p><p>　　由順序功能圖知，當步20.03為活動步，機械臂到達1處（即0.03=1）、2處（即0.08=1）或B處（即0.12）時，都能觸發(fā)啟動步20.04。步20.04的梯形圖設計如圖：</p><p><b>　　圖十二步20.04<

28、;/b></p><p>　　步20.04啟動后，機械臂向下運動。步20.04要執(zhí)行的操作與步20.00執(zhí)行的操作相同，其設計如圖：</p><p>　　圖十三步20.04操作</p><p><b>　　步20.05</b></p><p>　　由順序功能圖知，當步20.04為活動步，機械臂下降至下限位開關并觸發(fā)

29、下限位開關（即0.01=1）時，步20.05啟動。步20.05的梯形圖設計如圖：</p><p><b>　　圖十四步20.05</b></p><p>　　步20.05啟動后，機械臂將物件松開，并由定時器1定時松開時間。步20.05要執(zhí)行的操作設計如圖：</p><p>　　圖十五步20.05操作</p><p>&l

30、t;b>　　步20.06</b></p><p>　　由順序功能圖知，當步20.05為活動步，T1定時時間到（即T1=1）時，步20.06啟動。步20.06的梯形圖設計如圖：</p><p><b>　　圖十六步20.06</b></p><p>　　步20.06啟動后，機械臂開始上升。步20.06要執(zhí)行的操作與步20.02相

31、同，設計如圖：</p><p>　　圖十七步20.06操作</p><p><b>　　步20.07</b></p><p>　　由順序功能圖知，當步20.06為活動步，機械臂上升到上限并觸發(fā)上限位開關（即0.02=1）時，步20.07啟動。步20.07的梯形圖設計如圖：</p><p><b>　　圖十八步2

32、0.07</b></p><p>　　步20.07啟動后，由機械臂所處的位置決定系統(tǒng)執(zhí)行的操作。</p><p>　　如果機械臂在工作臺1處，則步20.07執(zhí)行的操作是工作臺1加工，設計如圖：</p><p><b>　　圖十九在1處加工</b></p><p>　　如果機械臂在工作臺2處，則步20.07執(zhí)行

33、的操作是工作臺2加工，設計如圖：</p><p><b>　　圖二十在2處加工</b></p><p>　　如果機械臂在工作臺B處，則步20.07執(zhí)行的操作是傳送帶B運動，設計如圖：</p><p>　　圖二十一在B處的操作</p><p><b>　　步20.11</b></p>&

34、lt;p>　　由順序功能圖知，當步20.07為活動步，物件被傳送帶B傳送到計數(shù)點時（即0.14=1），步20.11啟動。步20.11的梯形圖設計如圖：</p><p>　　圖二十二步20.11</p><p>　　步20.11啟動后，計數(shù)器2開始計一次（即對完成的工件進行計數(shù)），同時機械臂向原點右移，傳送帶A將工件傳送到工作臺A。步20.11要執(zhí)行的操作設計如圖：</p>

35、<p>　　圖二十三步20.11的操作</p><p>　　由順序功能圖知，步20.11啟動后，機械臂右移，此操作與步20.03相同，所以在設計梯形圖時，直接用步20.11觸發(fā)啟動步20.03，設計如圖：</p><p>　　圖二十四步20.11的操作</p><p><b>　　3.3 創(chuàng)新設計</b></p>&

36、lt;p>　　由于工業(yè)現(xiàn)場不可能萬事順利，往往會由于機械或認為因素使得加工過程被迫停止，因此在PLC控制設計中，加入了緊急停止、正常停止、計數(shù)復位、系統(tǒng)復位等功能。</p><p>　　3.3.1 正常工作</p><p>　　系統(tǒng)正常工作時，由20.09與IL指令共同支持各活動步的進行，當系統(tǒng)運行時默認如圖：</p><p>　　……（各活動步程序）……&l

37、t;/p><p>　　圖二十五啟動后系統(tǒng)默認模式</p><p>　　3.3.2 正常停止</p><p>　　正常停止是指，當按下正常停止按鈕后，機械臂只有回到原點才停止工作，如不在原點則機械臂還能正常按程序運行，正常停止的梯形圖設計如圖：</p><p>　　圖二十六正常停止設計</p><p>　　當20.08=1,

38、0.02=1,0.04=1時，20.09線圈得電，常閉觸點斷開，則斷開正常工作。</p><p>　　按下正常停止按鈕時，正常停止指示燈會點亮提示，其設計如圖：</p><p>　　圖二十七正常停止指示</p><p>　　3.3.3 緊急停止</p><p>　　緊急停止是指，當發(fā)生突發(fā)情況時，按下急停按鈕，系統(tǒng)停止工作，緊急停止的梯形圖設

39、計如圖：</p><p>　　圖二十八緊急停止設計</p><p>　　當20.10=1時，20.09線圈得電，常閉觸點斷開，則斷開正常工作。</p><p>　　當按下急停按鈕時，急停指示燈會點亮，其設計如圖：</p><p>　　圖二十九緊急停止指示</p><p>　　3.3.4 計數(shù)器復位</p>

40、<p>　　計數(shù)器復位在步20.11中稍有解釋，即按下計數(shù)器復位按鈕0.13后，計數(shù)器2復位，即重新計數(shù)完成工件的數(shù)目。</p><p>　　3.3.5 系統(tǒng)復位</p><p>　　系統(tǒng)復位是指，在按下急停和正常停止按鈕之后，待故障排除后進行的系統(tǒng)復位，其主要實現(xiàn)的功能就是讓機械臂松開及解除停止指示。復位按鈕為0.07，當0.07=1時，步20.08、20.09、20.10被

41、斷掉，從而系統(tǒng)進入正常運行模式。</p><p><b>　　4. 人機界面設計</b></p><p>　　4.1 CX_Designer簡介</p><p>　　我們采用CX_Designer進行仿真界面的設計，有關CX_Designer的使用方法可參見實驗指導書。CX_Designer可以在線仿真，可在無PLC的條件下進行仿真調(diào)試，雖然

42、實時性不是很好，但是比起組態(tài)王的設計卻較為方便易操作，而組態(tài)王人機界面設計仿真時，需要通過串口與PLC進行相連接才能進行，所以相對于沒有PLC的情況下，我們選用CX_Designer設計人機界面，經(jīng)濟劃算。</p><p>　　4.2 畫面制作與設計</p><p>　　根據(jù)PLC外部接線圖及IO分配表，我們將需要的按鍵添加到界面中，并將指示燈添加到指定位置，方便調(diào)試和觀測。最后仿真界面如

43、圖：</p><p><b>　　圖三十仿真界面</b></p><p>　　放置按鍵時使用繪圖面板中的按鈕，放置位指示燈使用繪圖面板中的按鈕，要觀察計數(shù)器的值使用繪圖面板中的按鈕。</p><p>　　對限位開關的設置，要設置成交替動作類型，如圖：</p><p>　　圖三十一限位開關設置</p><

44、;p><b>　　計數(shù)器的設置如圖：</b></p><p>　　圖三十二定時器監(jiān)視設置</p><p><b>　　5. 仿真調(diào)試</b></p><p>　　正常模式下，按照課題控制要求進行操作，機械臂能正常的按程序執(zhí)行，并能正確計數(shù)完成加工工件的數(shù)目，以下是完成一件工件時的仿真界面：</p>&l

45、t;p><b>　　未找到圖形項目表。</b></p><p>　　圖三十三仿真調(diào)試界面</p><p>　　完成一個周期后，只要不是按下停止和急停按鈕，程序?qū)⒆詣友h(huán)進行。</p><p>　　通過多次在線仿真調(diào)試，以及老師的檢查指導，本次設計滿足課題設計控制要求，仿真調(diào)試成功。</p><p>　　6. 問題匯

46、總及解決辦法</p><p>　　問題1：由于只是在線調(diào)試，限位開關得人工操作，不方便且易混淆。</p><p>　　解決辦法：假設步B要執(zhí)行需要限位開關C接通且步B的前一步步A為活動步，則在C接通后，步B為活動步，步B將C限位開關復位。</p><p>　　問題2：急停與正常停止的實現(xiàn)方法。</p><p>　　解決辦法：使用IL和ILC指

47、令完成。詳見創(chuàng)新設計部分介紹。</p><p><b>　　總結語</b></p><p>　　通過將近一周的設計，終于完成了課程需要，在本次設計過程中，有許多問題都是在摸索中進步得到解決的。本設計完成了課題的要求，即對象由輸送帶 A 送到加工位置，然后由機械手臂將加工物送至工作臺 1 的位置進行第一步驟加工。當?shù)谝徊襟E加工完成后，機械手臂將工作物夾起再送至工作臺2

48、進行第二步驟加工；當?shù)诙襟E加工完成后，機械手臂將工作物放到輸送帶 B 送走，然后由計數(shù)器計數(shù)加工完成的數(shù)量。通過對機械臂加工流程的控制設計，讓我進一步認識了工業(yè)生產(chǎn)自動化的控制原理，同時也掌握了一些PLC編程技巧。本設計中還為系統(tǒng)增設了緊急停止和正常停止功能，這樣可以讓工業(yè)控制更具有可控性，也為工業(yè)生產(chǎn)排障提供方便，同時也是著眼于工業(yè)生產(chǎn)安全而設計的。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，越來越多的自動化生產(chǎn)設備也越來越多，學好PLC必然能夠開闊自己

49、的視野，同時適應社會的需要。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　廖常初.PLC編程及應用：機械工業(yè)出版社；2003</p><p>　　湯以范.電氣與可編程控制技術：機械工業(yè)出版社；2004</p><p>　　蔡杏山.零起步輕松學歐姆龍PLC技術：人民郵電出版社；2011</p&