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1、19机电工程学院课程设计说明书设计题目: 大、小球分拣传送机械控制系统设计 学生姓名： 学 号： 20094805 专业班级： 机制F09 指导教师： 2012 年 12 月 12 日内容摘要机电一体化产品的积极作用正日益为人们所认识，如本设计产品机械手，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求， 遵循一定的程序、 时间和位置来完成工件的筛选与传送。而且它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到
2、各工业部门的重视。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分拣，本课程设计拟设计大小球分拣传送机控制系统的PLC设计，采用的德国西门子 S7-200 系列（cpu-224）PLC，对机械臂的上下、左右以及抓取运动进行控制，用于分捡大小球的机械装置。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。 关键词：大小球分拣控制系统； PLC设计； 机械手目 录第1章 引言 11.1 大、小球分拣传送机械控制系统设计内容简介11.2 大、小球分拣传送机械控制系统设计要求 11.3 大、小球分拣传送机械控制系统设计思想 2第2章 大、小球分拣传送系统的硬件电路设计32.1 大、小球分拣传送
3、系统功能说明 32.2 设计主电路原理图32.3 机械臂分拣大、小球控制的运行框图42.4 确定I/O信号数量，选择PLC的类型42.5 机械臂分拣大、小球控制的电器元件I/O分配表52.6 机械臂分拣大、小球控制的I/O接线图 5第3章 大、小球分拣传送系统的程序设计83.1 机械臂分拣大、小球控制程序的梯形图83.2 机械臂分拣大、小球控制程序的指令表11第4章 软件硬件调试13结 论16设计总结17谢 辞 18参考文献19第1章 引 言1.1 大、小球分拣传送机械控制系统设计内容简介学院此次安排我们进行了为其两周的机电传动课程设计实习，对我们即将进行毕业设计是很有益处的。这学期我们学习了
4、机电传动控制课程，此次实习主要是对课本中的知识进行实践，比如继电器-接触器控制和可编程控制器控制等重要章节更是联系紧密。让我们把课本知识很好的应用于实践中去，有助于总体实力的提高。本次我的课程设计的主要内容：大、小球分拣传送机械控制系统设计，如图1-1。图1-1 大、小球分拣传送机械工作示意图1.2 大、小球分拣传送机械控制系统设计要求本次设计的控制要求如下：1.机械臂起始位置在机械原点（见图），为左限、上限并有显示。2.有启动按钮和停止按钮控制运行，按下设备停止按钮后机械臂必须回到原点。3.启动后，机械臂动作顺序为：下降吸球上升（至上限）右行（至右限）下降释放上升（至上限）左行返回（至原点）
5、。4.机械臂右行时有小球右限（LS4）和大球右限（LS5）之分；下降时，当电磁铁压着大球时，下限开关LS2断开（=“0”）；压着小球时，下限开关LS2接通（=“1”）。1.3 大小球分拣传送机械控制系统设计思想对于本次课程设计的总体思路如下：本设计主要要求控制电路PLC的设计，故对于主电路就不做过多阐述。主电路：1电动机控制机械臂上下左右运动。2主电路给机械臂的电磁铁加电产生磁场吸住球运动。 由继电器控制电动机正反转.控制电路：由PLC控制继电器线圈来控制主电路的上下左右运动和抓释小球.PLC控制继电器和电灯的输出，从而控制主电路。1.当输送机处于起始位置时，上限位开关和左限位开关被压下，原点
6、显示灯亮。2.启动装置后，机械臂下行，一直到极限开关SQ闭合。此时，若碰到的是小球，则下限开关LS2为闭合状态；若碰到的是大球，则下限开关LS2仍为断开状态。3.吸起小球后（SQ开关闭合），则机械臂向上行，碰到上限位开关后，捡球装置向右行；碰到右限位开关（小球的右限位开关LS4）后，再下行，下行1秒后机械臂电磁铁失电，将小球释放到小球箱里，然后机械臂返回到原位。4.如果吸起的是大球，捡球装置右行碰到另一个右限位开关（大球的右限位开关LS5）后，再向下行，碰到下限位开关后，将大球释放到小球箱里，然后返回到原位。5.当机械臂回原位后，一个工作循环结束，如果此时接近开关PSO显示球槽内还有球，则继续
7、下一循环。若接近开关PS0断开即球槽内无球，则机械臂回原位，整个装置停止运行。第2章 大、小球分拣传送系统的硬件电路设计2.1 大、小球分拣传送系统功能说明机械手分拣大小球的控制功能如下： 1.原位：机械臂原始状态为左上角原位处，即上限开关LS3及左限开关LS1压合，同时机械臂处于无磁状态和球槽内有球或无球状态（接近开关PS吸合或断开），这时原位显示灯亮，表示准备就绪。 2.按下启动按钮SB1后，机械臂的电磁铁无磁，机械臂下降，接近开关SQ闭合后，机械臂会碰到球，接着电磁铁加磁。如果同时碰到下限开关LS2，则一定是小球；如果此时未碰到下限开关LS2，则一定是大球。 3.机械臂吸住球后（接近开关
8、SQ闭合后）就提升，碰到上限开关LS3后就右行。 4.如果是小球，则右行到LS4处；如果是大球，则右行到LS5处。 5.机械臂下降，经过1S后将小球释放到小球容器中；如果是大球，则释放到大球容器中。6.释放后机械臂提升，碰到上限开关LS3后，开始左行。7.机械臂左行至碰到左限开关LS1后，一个工作循环结束，如果此时接近开关PSO显示球槽内还有球，则继续下一循环；若无球，则工作停止。8.控制系统停止有两种情况；（1）接近开关PSO显示球槽内无球则循环结束；（2）按下停止按钮SB2则运行完此次循环后停止到原点；（3）按下急停按钮SB3，系统立刻停止工作，不管已经工作到什么位置。9.当系统在连续运行
9、时，停止方式有两种，一种是正常停止：就是按下停止按钮后，系统要将整个周期剩下的步骤全部进行完，然后回到原点才停止工作。另外一种是紧急停止：就是用来处理紧急情况下来及时停止整个系统工作的，一按紧急停止按钮SB3，系统立刻停止工作，不管已经工作到什么位置。但此时，电磁铁线圈仍处于有电状态，以保证紧急停止后不放球，保证安全。2.2 设计主电路原理图如图2-1中，主电路采用两个电动机、四个接触器即正转接触器KM1（KM3）和反转接触器KM2(KM4)控制。当接触器KM1（KM3）的三对主触头接通时，三相电源的相序按UVW接入电动机。当接触器KM1（KM3）的三对主触头断开，接触器KM2(KM4)的三对
10、主触头接通时，三相电源的相序按WVU接入电动机，电动机就向相反方向转动。利用两台电动机的正反转，分别控制机械臂的上、下、左、右行。图2-1 主电路原理图2.3 机械臂分拣大、小球控制的运行框图运行框图分为12个网络，共11层控制，加循环控制流程，一直到没有球之后便自动原点复位停止，也可以按停止按钮到这一循环结束后停止在原点位置。重新按下启动按钮后，再次开始，具体过程如图2-2所示。2.4 确定I/O信号数量，选择PLC的类型对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小
11、型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。当系统的各个控制
12、对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，组成一个分布式的控制系统。PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。根据系统分析得输入点有10个，分别为I0.0-I1.1;输出点有6个，分别为Q0.1-Q0.5、Q0.7。I/O点共16个
13、。结合以上几点，在设计PLC机械手在大小球分选系统中用的PLC的选型为西门子S7-200系列的可编程控制器（CPU-224）PLC。2.5 机械臂分拣大、小球控制的电器元件I/O分配表S7200系列（CPU-224）PLC有14DI/10DO，本次设计只需10个输入，6个输出，具体I/O分配表如表2-1。2.6 机械臂分拣大小球控制的I/O接线图由PLC控制继电器线圈来控制主电路的上下左右运动和机械臂抓释小球.PLC控制继电器和电灯的输出，从而控制主电路。采用S7200系列（CPU-224）PLC，输入端分两组共十个接口，输出端分两组共六个接口，具体如图2-3。开 始机械臂在原位，LS1、LS
14、3被压下按下启动按钮，机械臂下行按下急停按钮，设备急停下限开关LS2闭合？ N Y吸盘电磁阀线圈通电吸盘电磁阀线圈通电 大球 小球机械臂吸球后，接近开关SQ闭合机械臂吸住球后，接近开关SQ闭合机械臂上行，压下LS3后右行机械臂上行，压下LS3后右行机械臂压下LS4后下行机械臂压下LS5后下行机械臂压下LS2后，球放到球箱，机械臂返回原位机械臂压下LS2后，球放到球箱，机械臂返回原位球槽内是否有球（接近开关是否闭合）？ 停 止 N Y图2-2 机械臂分拣大、小球控制的运行框图表2-1 I/O分配表输入地址编码信号名称元件名称元件符号I0.0启动信号常开按钮SB1I0.1停止信号常开按钮SB2I0
15、.2急停信号常开按钮SB3I0.3左限信号常开开关LS1I0.4下限信号常开开关LS2I0.5上限信号常开开关LS3I0.6小球右限信号常开开关LS4I0.7大球右限信号常开开关LS5I1.0大小球的接近信号常开开关SQI1.1槽内有无球信号常开开关PS0输出地址编码对应的外部设备元件名称元件符号QO.1电磁铁控制信号电磁铁线圈KQO.2机械臂下降信号接触器KM1Q0.3机械臂上升信号接触器KM2Q0.4机械臂右行信号接触器KM3Q0.5机械臂左行信号接触器KM4Q0.7显示灯亮信号原点显示灯HL图2-3 机械臂分拣大、小球控制的I/O接线图第3章 大、小球分拣传送系统的程序设计3.1 机械臂
16、分拣大、小球控制程序的梯形图本系统采用STEP 7 MicroWIN SP4（S7-200）V4.0软件调试,机械臂大、小球分拣传送机械控制系统设计程序的梯形图见下图3-1，共有11个网络，11层控制系统，具体详析见下图所示:3.2 机械臂分拣大、小球控制程序的指令表本系统调试过程所生成指令表如下:TITLE=PROGRAM COMMENTSNetwork 1 / Network Title/ 启动和停止命令（I0.0启动信号、I0.1停止信号）LD I0.0O M0.0AN I0.1AN I1.0= M0.0Network 2 / 原位下行命令（Q0.2下行信号、I0,.5上限信号、I0.3
17、左限信号)LD M0.0= Q0.2A I0.5A I0.3= Q0.7Network 3 / 机械臂得电、上行命令（Q0.2下行信号、Q0.1得电信号、Q0.3上行信号）LD Q0.2LD I1.1O Q0.1ALDLPSAN M0.1= Q0.1LPP= Q0.3Network 4 / 右行命令（Q0.4右行信号）LD Q0.3LD I0.5A I0.3O Q0.4ALD= Q0.4Network 5 / 大、小球判断命令（I0.4下限信号、I0.6小球右限信号、I0.7大球右限信号）LD Q0.4LPSA I0.4LD I0.6O Q0.2ALD= Q0.2LPPAN I0.4LD I0
18、.7O Q0.2ALD= Q0.2Network 6 / 机械臂下行1秒释球命令（T37定时器）LD Q0.2AN T37TON T37, 10Network 7 / 执行释球命令LD T37O M0.1= M0.1Network 8 / 释球后上行命令LD M0.1O Q0.3= Q0.3Network 9 / 左行命令（Q0.5左行信号）LD Q0.3LD I0.6O I0.7ALD= Q0.5Network 10 / 机械臂回原位信号LD Q0.5LD I0.3O Q0.2ALD= Q0.2Network 11 / 急停命令（I0.2急停信号，且急停时机械不失电）LD I0.2R Q0.
19、1, 6第4章 软件硬件调试软硬件调试过程中出现了一些问题，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多问题都有了较好的解决方案，最终实现了系统的功能。作为一个好的控制系统必须把各种控制都考虑在内之外，还要考虑安全控制，一个安全的系统才是真正的好系统。以下为调试过程中大小球分辨指令的部分调试过程，如图4-1所示：图4-1如上图所示当按下启动按钮后，下限开关未被碰触时（I0.4=0），大球右限信号得电（I0.7=1），即机械臂将大球放到大球指定位置。同理，当下限开关被碰触时，小球亦按此过程被放到小球指定位置。其余调试过程不做过多详细说明，整个调试过程是在PLC（SIEMENSS7-200）虚拟软件上
20、完成。各项调试步骤及结果均符合设计任务要求。结 论我们的两周的课程设计就要告一段落，纵观整个设计过程，可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己的薄弱环节，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多问题都有了较好的解决方案。软件部分采用各部分程序直接转的方式，依次实现了PLC流程图、梯形图、指令表三种机械手控制方式。用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强，但若要增加其它机械手控制方式或进行扩展，程序会变得相当复杂而且容易出错，出错后调试修改也很困难。收进的方式是将各部分程序写成程序，方便调用和调试。此种方法的优点是程序编写比较简单，不需要再编写分支、汇合状态移图的程序，且由于本课对定时精确度要
21、求并不高，适宜采用。若是在对定时精度要求比较高的情况下，应采用单片机的中断功能进行硬件定时。通过此次设计，了解了PLC机械手在大小球分选系统的工作原理，首次学习了一些机械手的工作原理及使用方法。其中电路及软件实现是此次设计的主要部分。作为一个好的控制系统必须把各种控制都考虑在内之外，还要考虑安全控制，一个安全的机械才是真正的好机械。设计总结课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，PLC已经成为当今计算机应用中的领域，生活中可以说是无处不在。因此对于二十一世纪的大学生来说掌握
22、PLC技术是十分重要的。回顾此次PLC课程设计，我感慨颇多。的确，通过这次对自动装卸线控制系统的PLC控制，让我们对PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出做适合的设计方法。从理论到实践，在两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学的知识，而且学到了很多在书本上没有的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实践相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把理论与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇
23、到的问题，可以说得是困难重重，这毕竟是第一次做的，难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，比喻说不懂一些元器件的使用方法，对PLC编程掌握的不好通过这次课程设计之后，一定要把以前的知识重新温习。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。谢 辞非常感谢学校学院给了我们这次非
24、常重要的实践的机会，对我们的能力提高非常有帮助，对以后的工作能更好更快的融入工作中区。还要感谢王老师不辞劳苦的辛勤指导，对每个简单或难的问题都予以精彩深刻的解答，是我又学到了很多的知识通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处。为了搞好这次毕业设计，通过查阅资料以及在老师和同学的帮助下，最终基本达到了设计目的。通过实践，巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。特别是老师严谨的态度给我启发不小。在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起
25、推敲和考验。对于那些要求能够扩展功能的课题更是如此总之，这次实习要再次感谢指导老师王老师和同组同学，使自己又在课本知识上更深刻的理解和研究，在实践能力上也同样大大提高，综合能力都提高显著。参考文献1 王宗才.机电传动与控制. 北京:电子工业出版社，2011.2 于庆广.可编程控制器原理与系统设计. 北京:清华大学出版社，2004.3 赵金荣.可编程序控制器原理及应用. 上海:上海应用技术学院，1999.4 易传禄.可编程序控制器应用指南. 上海: 上海科普出版社,2006.5 方承远.工厂电气控制技术. 北京: 机械工业出版社,2004.6 王永华.现代电气及可编程技术. 北京:机械工业出版社,1997.7 汤以范.电气与可编程序控制器技术. 北京: 机械工业出版社,2005.8 刘子林.电机与电气控制.北京: 北京:电子工业出版社,2003.9 程周.电气控制与PLC原理及应用.北京:电子工业出版社,2003.