基于PLC的机械手控制系统设计毕业设计(论文)word格式

摘 要

随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械

手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等

领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运

输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代

经济发展的要求。

本机械手的机械结构主要包括两台电机M1、M2，分别控制传送带A

和传送带B的运转，传送物体；电机M3、M4分别控制机械手的上升

下降和左移右移（M3正转机械手上升，反转机械手下降；M4正转机

械手右移，反转机械手左移）；压力继电器控制机械手的抓紧和放松；

光电开关检测物体的到来。行程开关(SQ1---SQ4)产生的通断信号传

输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部

接触器线圈来控制电动机产生不同的动作，可实现机械手的搬运；其

动作过程包括：原位、下降、上升、右移、下降、上升、左移。

关键词： 西门子S7-200 机械手 行程开关

目录

摘要 ……………………………………………………………1

目录 ……………………………………………………………2

第1章：概述 ……………………………………………………3

1.1 搬运机械手的应用 ………………………………………3

1.2 机械手的发展趋势 ………………………………………3

第2章：搬运机械手的硬件设计 …………………………………5

2.1搬运机械手的电机正反转主电路 …………………………5

2.2搬运机械手的控制工艺要求 ……………………………5

第3章：搬运机械手的软件设计 ………………………………6

3.1搬运机械手的控制过程 ……………………………………6

3.2 搬运机械手工作逻辑图 ……………………………………6

3.3 PLC I/O地址分配表和I/O接线图 ………………………6

3.4 PLC 的选型…………………………………………………6

3.5 PLC 梯形图 …………………………………………………6

第4章：软硬件调试 ……………………………………………7

心得体会 …………………………………………………………9

参考文献 …………………………………………………………10

第1章 概述

1.1 搬运机械手的应用

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生

产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械

是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身

外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。

据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金

属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工

的时间仅占零件生产时间的5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序

机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生

的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品

种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。

1.2 机械手的发展趋势

目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，

数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内

主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械

手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相

应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制

机械手和组合式机械手等。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，

以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不

同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械

手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要

提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外

还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机

械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基

本单元。

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主

要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可

按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反

馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件

甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具

有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的

变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行

检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

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。

依据得到的样本分析，初步得出正在使用的众多PLC的品牌中 ，

西门子、三菱及omron占据绝对的优势，60%左右的用户使用了这些

品牌的PLC产品，而rockwell/ab、ge-fanuc和富士等品牌也占有相

当的市场份额。

第2章 搬运机械手的硬件设计

2.1搬运机械手的电机正反转主电路

自动控制是生产机械电气化自动中应用最多和作用原理最简单的一

种形式，在位置控制的电气自动装置线路中，由行程开关或终端开关

的动作发出信号来控制电动机的工作状态。若在预定的位置电动机需

要停止，则将行程开关的常闭触点串接在相应的控制电路中，这样在

机械装置运动到预定位置时行程开关动作，常闭触点断开相应的控制

电路，电动机停转，机械运动也停止。若需停止后立即反向运动，则

应将此行程开关的常开触点并接在另一控制回路中的启动按钮处，这

样在行程开关动作时，常闭触点断开了正向运动控制的电路，同时常

开触点又接通了反向运动的控制电路。搬运机械手的主电路如图2-1.

图2-1搬运机械手的主电路

2.1搬运机械手的控制工艺要求

见 后续图纸 第1页

第3章 搬运机械手的软件设计

3.1搬运机械手的控制过程

如 后续图纸 第1页和第2页所示：A、B两个传送带分别由两台

电机M1、M2来驱动；光电开关PS用以检测物体的都来；当光电开关

检测到物体时，传送带A停止（即电机M1断电 接触器KM1断开），

同时机械手开始下降（KM4吸合）；当工件碰到下降极限SQ1时下降

到位停止下降，启动压力继电器机械手开始抓物体；当机械手抓紧物

体时，压力继电器常开触点闭合，机械手上升（KM3吸合）；当工件

碰到上升极限SQ2时上升到位停止上升，同时机械手右移(KM6);当工

件碰到右移极限SQ3时右移到位停止右移，机械手开始下降（KM4吸

合）；当工件碰到下降极限SQ1时下降到位停止下降，机械手开始放

松同时启动时间继电器T38；当延时2秒后机械手放松完毕，上升（KM

吸合）；当工件碰到上升极限SQ2时上升到位停止上升，启动左移（KM5

吸合）；当工件碰到左移极限SQ4时左移到位停止左移（原位）

3.2 搬运机械手工作逻辑图

见 后续图纸 第3页

3.3 PLC I/O地址分配表和I/O接线图

见 后续图纸 第2页

3.4 PLC 的选型

根据I/O点的分配要求本设计PLC采用S7-200 CPU226型

3.5 PLC 梯形图

后续图（1）搬运机械手的PLC 梯形图

所用元器件一览表如表1-1

表1-1

元件名称 数量

PLC(S7-200 CPU 226) 1台

电机 4台

接触器 6个

压力继电器 1个

光电开关 1个

按钮 2个

导线 若干

第4章：件调软硬试

PLC的工作原理

一. 扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、

用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描

周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述

三个阶段。

(一) 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数

据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，

转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态

和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描

周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

(二) 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用

户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边

的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触

点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该

逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在

I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的

特殊功能指令。

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。

(三) 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，

CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，

再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

心得体会

通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错

误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增

强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己

以后的工作和学习打下坚实的基础。再一方面也加强了我和老师的交

流，认识到知识的渊博度。

经过这次的努力，使我顺利的完成了课程设计。这份课程设计既是对

过去三年所学知识的总结，又是自己知识的积累，也大大加深了对PLC

技术的了解。

课程设计中既动脑、，又动手，是一个理论与实际结合的过程。仅仅

有理论是不够的，更重要的是实际的，是我们所设计的实物，具有设

计合理，经济实用的优点。这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、

周密，不能有丝毫的大意。对设计方案的优越化，也需要我们综合各

方面的因素考虑，尤其是实际。再次像教育指导我的老师及同学表示

诚挚的感谢！

鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂的设计，

在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各位老师给予批评和

指正。

参考文献

【1】 陈建明. 电气控制与PLC应用。（第2版）。 北京：电子工

业出版。

【2】 王炳实. 机床电气控制.第三版. 北京：机械工业出版社，2004

年：146-162

【3】 王本轶. 机床设备控制基础. 北京：机械工业出版社，2005

年：283-288

【4】 丁树模. 液压传动. 北京：机械工业出版社，2007年

【5】 林平勇. 高崇. 电工电子技术.第二版：北京：高等教育出版

社，2004年

【6】 熊幸明. 曹才开. 一种工业机械手的PLC控制.微计算机信息，

2006年，第22卷第11期:120-122

【7】 孔秀艳. 一种四轴搬运机械手的PLC控制. 大众科技，2008

年，第7期：112-113

【8】 刘轩.王丽伟. 机械手的PLC控制. 机床电器. 2006年，34-49

【9】 张应金. PLC在机械手搬运控制系统中的应用.自动化博览，

2008年02月刊：71-73

【10】曾繁铃. 一种PLC控制的工业机械手. 常熟理工学院报，