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1、PLC技术及应用课程设计（论文）题目：基于ControlLogixPLC的机械手搬运物体过程控制院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013.12.92013.12.18 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目基于ControlLogixPLC的机械手搬运物体过程控制课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能1、 采用ControlLogixPLC作为控制器，传感器检测机械手现场信号，传递给数字量输入模块1756-IB16，
2、CPU经过逻辑程序运算控制输出模块1756-OB16的输出状态，1756-OB16的端子与执行机构机械手相连接；2、 PLC可以手动或者自动控制机械手完成伸臂、缩臂、旋转、上行、下行等动作；3、 整个控制过程要求有相应的状态提示和报警显示。设计任务及要求1、能够根据功能要求选择PLC的类型及根据I/O点的要求选择PLC的型号；2、根据所选PLC的类型，掌握该PLC的编程软件并能够利用该软件绘制设计课题的梯形图；3、根据题目实现的功能要求，编写完整的程序清单；4、明确性能要求，确定设计方案；5、建立I/O分配表，完成PLC与输入/输出信号的外部接线；6、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的
3、内容要求正确、合理； 7、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数1、电机参数：0.75KW,220V,50Hz,电流0.8A ；2、网络速率：10Mbit/s。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（1天）2、确定系统的输入/输出信号和类型，选择主机和模块。（1天）3、完成PLC与输入输出信号的外部接线。（1天）4、硬件组态及参数设置，编写梯形图。（3天）5、上机调试、修改程序。（1天）6、撰写、打印设计说明书（2天）7、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60%
4、 答辩20% 以百分制计算摘要在工业生产和其它工业自动化领域内，机械手已经成为生产中的一个必不可少的环节，本设计主要对机械手搬运物体的过程控制做了详细的描述，机械手的机械部分主要有上、下限位开关和左、右限位开关用来限制机械手的极限位置，机械手上的气缸主要是对夹紧物体和松开物体进行控制。这样就可以用PLC通过限位开关的输入信号来控制机械手的上升、下降、左移、右移、松开和夹紧的动作实现搬运物体。从而按着机械手搬运物体的过程进行梯形图设计，实现PLC的输出对气缸及电磁阀进行控制，使得机械手搬运物体达到了良好的预期效果。关键词：机械手；搬运物体；PLC目录第1章 绪论1第2章 课程设计的总体方案22.
5、1 设计意义22.2 机械手的工作方式32.3 系统设计方案4第3章 系统的硬件设计53.1 controlLogix控制器的简介53.2 气缸的选型53.3 干簧传感器的选型63.4 驱动电机的选型63.5 PLC输入输出模块的选型及外部接线7第4章 系统的软件设计84.1 程序流程图的设计84.2 ControlLogix系统的组成94.3 RSLogix5000软件的编程步骤10第5章 课程设计总结13参考文献14附录1系统软件梯形图15III第1章 绪论随着工业自动化的发展，机械手出现并发展起来，被广泛应用于各种工业现场，其大大减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，但传统的继电器控制
6、的机械手控制装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰从而存在可靠性差、故障多维修困难等问题。所谓机械手控制系统，就是将机械手的运行通过一整套的系统进行自动化控制，这种控制系统使机械手拥有很高的效率性、精确性、实用性和低造价，并同时具有移动和操作功能，机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取，搬运工件或操纵工具的自动化装置。机械手主要有伸缩臂、升降臂、摆臂、抓取工件、放料等功能，本系统中所应用到的机械手的工作方式为自动工作方式，在该方式下机械手的动作顺序为：机械手抬起、机械手转动、机械手伸开、机械手伸长、机械手降下、机械手夹物，机械手自动完成一个周期的动作后停止。当出
7、现异常时按下“急停”按钮，机械手会立刻停止运动。ControlLogix结构体系是一个技术先进的控制平台，它集成了顺序控制、运动控制、传动及过程控制等多个控制功能。与传统可编程控制器不同，ControlLogix系统在任意尺寸上都是模块化的。可以根据具体应用来选择合适的内存量、控制器个数和网络类型，这种柔性结构允许在同一机架内使用多个控制器、网络及I/O模块。与此同时，ControlLogix系统具有优良的性能品质，主要特点如下：（1）无缝连接。易于和其它网络上的程序控制器透明地收发信息，兼容性好。（2）快速。ControlLogix结构在背板上提供了高速数据传输总线。（3）可组态。可根据工业
8、生产的需要增减控制器和通信模板的个数，可在一个机架内使用多个控制器。（4）工业化。ControlLogix提供了高强度平台，可耐受振动、高温及各种工业环境下的电气干扰。除此之外，其结构紧凑，可有效减少配电盘的空间；可无需控制器而在网络间实现桥接；多个控制器、I/O模板及通信模扳可任意组合；可带电拔插一个模块而无需断开系统的其他模块，并提供可拆卸接线端子排，使用方便，易于维护。本系统以罗克韦尔公司的ControlLogix系列产品系统为控制核心，该系统涵盖了计算机、工业控制网、ControlLogix控制器、气动机械手、传感器等技术。第2章 课程设计的总体方案2.1 设计意义在机械工业中，机械手
9、的应用意义可以概括如下：（1）可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。（2）可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中。用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减少人力，便于有
10、节奏地生产应用机械手代替人手进行工作。这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动化生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。图2.1 机械手的实物图2.2 机械手的工作方式机械手主要由手部、腕部、升降部、滑动部、机座和控制箱以及其它附件组成。其中手部为四指结构，其运动由具有自锁功能的夹紧气缸完成；升降部件是以导轨为导向装置，其运动由伺服电机驱动丝杠来完成；滑动部件也是以导轨为导向的装置，其运动由伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动来完成。PLC和相关控制器件安装于控制箱内，通过
11、电缆和信号线与机械手进行联接。机械手的定位采用脉冲数来控制，升降运动和滑动都有快慢速调整，调整位置也由脉冲数来控制，而速度由脉冲频率调整。在物料架1和物料架2上分别安装接近开关，进行生产线上有无工件的检测，满足在物料架1有工件时机械手才进行下降和抓取，物料架2上无工件时机械手下降并放下工件。机械手还满足在断气和掉电时能够自锁，保持当前的状态。系统上电后机械手开始初始化，初始化完毕后选择工作方式，分别为手动模式、半自动模式和自动模式。手动模式下，操作员可以通过控制面板控制机械手的单步运动和零点复位，能够在机械手故障时进行检修。半自动模式下，只要操作员选择半自动工作方式，然后按下启动按钮，机械手首
12、先会零点复位，然后检查物料架1有工件，机械手下降抓取工件，上升前进，检测物料架2上无工件机械手下降并放下工件，返回原点，一个周期的动作完成，机械手停机。自动模式下，按下启动按钮，伺服电机通电，滑台、升降台、气缸等回到原位，气压表显示正常。机械手运动到上、左原点位。当检测到物料架1上有工件时，电机1反转，升降台快速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位2时，电机1停转；气缸伸出夹紧工件，当气缸压力到达一定程度时压力传感器得电，表明工件夹紧；电机1正转，升降台先快速上升，达到一定脉冲数后时减速，当到达上原点时，电机1停转，升降台停止；电机2反转，滑台快速前进，达到一定脉冲数后滑台减速，到达右工位时
13、电机2停止；当检测到生产线2无工件时，电机1反转，升降台快速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位1时电机1停转；气缸缩回放开工件，表明工件已松开；电机1正转，升降台上升，先快速后慢速，当到达上原点时电机1停转，升降台停止；电机2正转，滑台返回到初始位置，电机2停止。一个工作流程结束。机械手的工艺流程如图2.2所示。图2.2 机械手的工业流程图2.3 系统设计方案罗克韦尔的自动化机械手控制系统主要由PC机监控客户端、EthernetIP、ControlNet、DeviceNet三层网络、控制模块ControlLogix PLC、输入模块1756一IBl6、输出模块1756一OBl6、气动机械手
14、、传感器、生产线组成。图2.3 系统总体设计图第3章 系统的硬件设计3.1 controlLogix控制器的简介美国罗尔韦尔自动化公司的可编程控制器设备以其优良的性能广泛应用于工业控制的各个领域。本次设计采用Logix5561处理器是安装在1756I/O框架上的高速单槽内。ControlLogix控制器采用模块化的设计，无源数据总线背板式的结构，包括处理器在内所有单元，具有紧凑的、经济的产品提供离散控制、驱动控制、运动控制、过程控制、安全控制、便利的通讯连接、艺术的输入输出功能，根据功能设计成各种模块，处理器模块Logix5561不仅包括数字量，模拟量这些传统的信号模块，还有各种网络通信模块、
15、专用的运动伺服控制模块及相应的运动控制指令，为工业控制提供一种非常灵活且完整的控制方案。图3.1 controlLogix控制器3.2 气缸的选型机械手夹紧装置是使机械手松开和夹紧的动力装置，根据机械手部的夹紧力和手部张开后指尖距离，选用FESTO公司生产的两端带有终端可调缓冲装置的SNU-50-100-PPV-A型双作用气缸，并配有夹紧装置和行程开关。图3.2 SNU-50-100-PPV-A型双作用气缸3.3 干簧传感器的选型本设计采用欧姆龙公司的干簧传感器SMCD-A93用作机械手和生产线的位置及行程检测，干簧传感器的关键元件时簧片开关，当线圈通电后，管中两簧片的自由端分别被磁化成N极和
16、S极，两级相互吸引，接通被控电路。图3.3 干簧传感器3.4 驱动电机的选型直流伺服电机由于存在机械换向器和电刷，降低了电机运行的可靠性，加重了维护和保养负担。而交流异步电机虽然结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便，但调速问题一直没有得到经济合理的解决。近十年来，由于调频等调速方法发展很快，使其调速范围和成本与宽调速直流伺服电机接近，因此，交流伺服电机以其优良的控制性能和高可靠性在数控系统中得到了越来越广泛的应用。为了方便设计和维修，升降电机、水平移动电机和传送带电机选用同一型号，根据经验选用松下公司MinasA4系列全数字式交流伺服电机和驱动器。电机型号：Panasonic MDMA15
17、2P1U（220V，50Hz，0.75KW，0.8A增量式编码器，标准型，键轴，有制动器）。图3.4 MinasA4系列全数字式交流伺服电机和驱动器3.5 PLC输入输出模块的选型及外部接线输入/输出（I/O）模块种类繁多，其中的数字量模块分为交流、直流两大类，本系统采用16点阵型数字量直流输入模块1756-IB16D和直流输出模块1756-OB16D，在面板上对应有16个状态指示灯（ST）和16个故障指示灯（FLT）。系统以l#机械手臂的电磁阀作为输出点，在取料至输送1#传送带的过程中，传感器检测信号作为输入点，输出点8个，输入点7个，都是数字量，其I/O分配如表3.1所示。表3.1 PLC
18、的I/O分配表1756-IB16D输入模块1756-OB16D输出模块名称符号地址编号名称符号地址编号启动按钮SB1Local:1:I.Data.5传送带转KMLocal:2:O.Data.3停止按钮SB2Local:1:I.Data.6机械手左旋YV2Local:2:O.Data.4物品检测PHLocal:1:I.Data.15机械手右旋YV2Local:2:O.Data.4机械手抓紧检测LS1Local:1:I.Data.13机械手上升YV4Local:2:O.Data.5机械手左旋限位LS2Local:1:I.Data.7机械手下降YV4Local:2:O.Data.5机械手右旋限位LS
19、3Local:1:I.Data.8机械手抓紧YV6Local:2:O.Data.6机械手上升限位LS4Local:1:I.Data.11机械手松开YV6Local:2:O.Data.6机械手下降限位LS5Local:1:I.Data.12根据系统的I/O分配表可以进行PLC的外部接线，如图3.5所示。图3.5 PLC的外部接线图第4章 系统的软件设计4.1 程序流程图的设计系统的以太网的驱动配置、创建控制器文件、I/O模块的组态以及创建主例程等任务由上位机PC运行RSLogix 5000软件完成，传感器检测、机械手动作、货物传送至传送带、传送带运送货物至仓库、检测入库、计数报警这部分是自动生产
20、线流程，由主控制器ControlLogix系列的Logix5561处理器控制机械手和传送带电机来完成，以机械手的一个夹物动作为例，流程如图4.1所示。图4.1 程序流程图4.2 ControlLogix系统的组成ControlLogix控制系统以微处理器为核心，把先进的控制技术、通讯技术、计算机技术、CRT技术与现场仪表有机地结合起来，实现对生产过程的集中监视、集中操作和分散控制，为生产提供了强有力的保证。由于该系统的内存量、控制器个数和网络类型可以根据具体应用来选择，所以相对于其它可编程控制系统而言，其结构更加灵活，使用更为方便。图4.2 ControlLogix控制系统结构简图Contro
21、lLogix系统的核心是Logix5550控制器，其处理速度为008 msK指令，标准内存配置为160KB，可扩展至2 MB，一个Logix5550控制器支持12 800个离散的或4 000个模拟的IO点，符合IECll311的操作系统提供多任务环境，最多可支持32个任务，其中31个时间片可由用户设定，支持长文件、变量名。Logix5550以微处理器为核心，采用了先进的过程控制技术、通讯技术、计算机技术，负责对生产过程进行检测和控制，是数据采集、过程控制部分。通过组态和编程，具有丰富的运动控制功能、顺序控制功能、传动及过程控制功能、运算功能，可直接采集来自现场的各类工艺过程数据，经处理、运算后
22、，将检测到的信号送至操作站并进行监视，将控制信号送至现场。具有可靠性高，扫描处理速率快等特点，并具有自诊断功能。RSView32是操作人员和ControlLogix系统的人机接口，能够对大范围的生产过程进行监视和操作，同时，还能够对收集到的信息加工处理和保存，对工艺参数进行实时显示和报警，实现对生产的集中监视、集中操作、集中显示、集中处理，具有数据处理、历史数据保存、报警显示及打印、报表生成、多种显示及对控制回路实施操作等功能，方便对生产的控制和管理。4.3 RSLogix5000软件的编程步骤（1）打开RSLogix5000软件运行“开始所有程序Rockwell SoftwareRSLogi
23、x 5000 Enterprise Series RSLogix5000”打开RSLogix5000软件，如图4.3所示。图4.3 RSLogix5000主界面（2）创建一个新的控制器文件。 从File菜单选择New，显示New Controller对话框。 从Type的下拉菜单中选择1756-L62ControlLogix Controller。 在Revision的下拉菜单中15。 在Name栏中键入字母和数字组合作为处理器的名字如Training。 从Chassis Type下拉菜单中选择1756-A10 10-Slot ControlLogix Chassis。 在Slot Numbe
24、r栏内选择0，与机架中的控制器模块的位置匹配。 在Create In栏内键入文件保存路径或点击Browse键定位地址目录。 确认输入与图4.5所示吻合，然后点击OK，由此创建了一个控制器文件。图4.4 New Controller对话框图4.5 创建后的RSLogix 5000主界面（3）编辑梯形图。在试验部分，将在MainProgram的文件夹中为主例程编写梯形图逻辑，然后添加一个输入输出指令。从Controller Organizer,双击Main Routine图标，在梯形图编辑器中出现一条空语句。图4.6 编辑梯形图窗口第5章 课程设计总结本课程设计介绍了罗克韦尔公司生产的Contro
25、lLogix系列PLC控制系统在机械手控制中的设计应用，说明了机械手的动作原理，设计要求以及控制的方法，这一系统主要完成货物通过检测元件，然后通过机械手，气动装置将货料分拣出来送回仓库的过程，同时将程序编写出来，并进行了系统调试。在驱动系统设计方面，首先对机械手进行了简单的运动分析；然后对驱动系统进行了方案研究和细致的分析，完成了主要驱动部件的选型。结合生产企业的过程应用环境，在机器人系统特点基础上，设计了基于罗克韦尔ControlLogix系列PLC为主控的机械手控制系统。根据系统需要完成的任务特点，确定了硬件构架和软件体系。经多次实验，验证该机械手操作方便、性能稳定，可以弥补操作工效率低、
26、成本高等缺陷。另外该系统有很好的开放性和可扩展性，可以根据需要方便地增、减功能部件，进行自主创新。参考文献1 梅丽凤.电气控制与PLC应用技术M.机械工业出版社,20122 夏辛明.可编程控制器技术及应用M.北京理工大学出版社,20103 汪志锋.可编程序控制器原理与应用M.西安电子科技大学出版社, 20104 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京航空航天大学出版社,20095 李允文.工业机械手设计M.机械工业出版社,19966 应群民.黄海龙.Rockwell AB可编程序控制器M.机电工程,19997 张建民.机电一体化系统设计M.高等教育出版社,20028 史国生.PLC在机械
27、手步进控制中的应用.中国工控信息网,20059 朱春波.PLC控制的气动上下料机械手J.液压气动与密封,1999,21-2410 张波.多功能上下料用机械手液压系统J.液压与气动,2002,8(2):31-3211 郭艳萍.基于PLC 的工业机械手控制系统J.仪表技术与传感器,2007,9(9):31-3212 周虹.气动与PLC技术相结合在机械手设计中的应用J.液压与气动,200413 白传悦.装配机械手PLC控制系统J.机械制造行业应用,200614 王登贵.气动机械手控制系统的设计与实现J.自动化技术与应用,200915 朱春波.PLC控制的气动上下料机械手J.液压气动与密封,1999,21-24附录1系统软件梯形图17