1、機械電氣控制及自動化課程設計說明書課題名稱：氣動機械手控制學生姓名：XXX專業： 機械電子工程學號： 1403 XXXXX指導教師：XXX學院： 機電工程學院2017年 9月機械電氣控制及自動化課程設計成績評定表姓 名XXX學號1403XXXXX專業機械電子工程題 目XXX評分標準 評價要10090807060分數選題難度、資料查閱、方案可行性（ 20% ）選題難度很大、查閱資料能力很強，設計方案合理選題難度較大、 查閱資料能力較強，設計方案較為合理選題難度一般、 查閱資料能力一 般，設計方案基 本合理選題難度較低、查閱資料能力較差，設計方案合理有個別錯誤選題難度很低、 查閱資料能力很差，設計

2、方案存在原則性錯誤說明書撰寫質量（ 20% ）條理清晰、論述充分、圖表規范條理清晰、論述正確、圖表較為規范條理基本清晰、 論述基本正確、 文字通順、圖表 基本規范條理不夠清 晰、論述不 夠充分但沒 有原則性錯 誤、文字基 本通順、圖 表不夠規范條理不清、論述有原則性錯誤、圖表不規范、質量很差學習態度、專業知識（ 10%）設計態度認真，具有扎實的專業知識并能熟練運用設計態度較 為認真，掌握較好的專業知識并能綜 合運用設計態度一般， 掌握一定的專業 知識并能合理運 用設計態度不 太認真，掌 握一定的專 業知識但運 用能力較差設計態度及不認真，掌握專業知識較少， 不會運用創新能力、團隊合作（ 10%

3、）具有很強的創新能力及團隊協作精神具有良好好 的創新能力 及團隊協作 精神創新能力及團隊 協作精神一般創新能力及 團隊協作精 神較弱創新能力及 團隊協作精 神很差答辯（ 40% ）思路清晰、論點正確、對設計方案理解深入，問題回答正確思路清晰、論點基本正確、對設計方案 理解較深入，主要問題回 答基本正確。思路比較清晰、論點有個別錯誤，分析不夠深入主要問題經啟發能回答，但分析較為膚淺。主要問題闡述不清，對設計內容缺乏了解，概念模糊， 問題基本回答不出。評定成績（合計）成績等級指導教師簽字：年月日任務書課題名稱 ：氣動機械手控制1） 實現功能 ：某氣動機械手用于將A 點的工件搬運至B 點。機械手的升

4、降及左右行的執行機構均由雙線圈電磁閥推動氣缸完成，機械手的夾緊放松由單線圈電磁閥推動氣缸完成。2） 控制要求：1 . 能實現手動、回原點和自動操作（在單周期、連續循環、單步操作中至少實現一種）；2 .上升下降、左右行由相應行程開關控制，夾緊放松通過延時實現；3）設計任務：1. 設計氣動原理圖；2. 用 PLC實現控制，設計順序功能圖，繪制PLC端子接線圖，編寫 PLC梯形圖程序；3.編寫設計說明書。目錄第一章設計任務及認識11.1 氣動機械手控制設計任務 1.1.2 氣動機械手設計課題的認識及現狀 1.1.3 氣動機械手課程設計的主要內容闡述 3.第二章氣動機械手設計總體方案 62.1 氣動機

5、械手設計總體方案 6.2.2 氣動機械手設計流程（或詳細設計闡述）7.第三章氣動機械手的氣動系統設計（或主電路設計） 9第四章氣動機械手硬件及選型設計 11第五章氣動機械手軟件設計 18結論 20參考文獻 21第一章設計任務及認識1.1 氣動機械手設計任務1. 設計氣動原來圖2. 設計硬件電路及PLC端口電路圖。3. 實現回原點功能4. 自動操作時實現單周期循環功能。5. 自動運行前，機械手處于原點位置，自動運行時，完成一次搬運任務。下次重新自動運行前，應先回遠點位置。1.2 氣動機械手設計課題的認識及現狀工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備。工業機械手也是工業機器人的一個重要

6、分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業的準確性和環境中完成作業的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發展空間。機械手的發展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、 它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場

7、合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發展，并且取得一定的效果，受到機械工業的。機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環境中的工作。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業技術的發展， 制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”， 簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在

8、構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。1.3 氣動機械手控制課程設計的主要內容闡述1. 機械手類型的選擇。工業機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。根據本課程設計的要求可選擇通用型機械手。它是一種具有獨立控制系統的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合

9、使用，驅動系統和控制系統是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種: 簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制 : 可以是點位的，也可以實現連續軌控制；同時還可分為伺服型和一般型的機械手，伺服型具有伺服系統定位控制系統，一般的伺服型通用機械手屬于數控類型。本課程設計采用通用性氣動機械手的方式。2. 機械手硬件系統的設計。本課題設計的自動門要求有很高的穩定性來滿足日常的需要，故在本設計中所選用的智能控制器為穩定性良好的西門子系列PLC。通過接近開關的檢測和氣缸裝置的動作來完成自

10、動控制的功能。同時通過氣壓傳動來驅動執行機構完成相應的動作。氣壓介質源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。3. 氣動機械手軟件的設計。在本設計中選用了目前運用最多的PLC編程語言梯形圖，梯形圖的編程能直觀明了的設計出自動門控制的要求，并能更好的考慮到安全性和故障報警等問題，梯形圖的編寫運用三西子編程軟件，此軟件支持全部的S7-200 系列PLC，并且具有強大的診斷功能，能更快的查找出故

11、障的原因，從而大大縮短了維修時間。6第二章機械手控制設計總體方案2.1 機械手控制設計總體方案1 .設計方案框圖2 .方案說明考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現，非常方便快捷。2.2設計流程（或詳細設計闡述）在機械手系統設計與調試過程中最主要的是先列出設計的主要步驟流程圖，如圖上圖所示。在機械手控制系統的設計過程中主要要考慮以下幾點：1. 深入了解和分析機械手的工藝條件和控制要求。2. 確定 I/O 設備。 根據機械手控制系統的功能要求，確定系統所需的用戶輸入、輸出設備。常用的輸入設

12、備有按鈕、選擇開關、行程開關、傳感器等，常用的輸出設備有繼電器、接觸器、指示燈等。3. 根據 I/O 點數選擇合適的PLC類型。4. 分配 I/O 點， 分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表7或者輸入輸出端子的接線圖。5. 設計機械手系統的梯形圖程序，根據工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個自動門系統設計的核心工作。6. 將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統程序更加完善。18第三章氣動機械手的氣動系統設計（或主電路設計）1.氣動原理圖設計2.PLC端子接線圖第四章氣動機械手硬件及選型設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械

13、手進行控制. 當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現，非常方便快捷。1. 可編程控制器簡介在 60年代，汽車生產流水線的自動控制系統基本上都是由繼電器控制裝置構成的。當時汽車的每一次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝。隨著生產的發展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經常地重新設計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現狀，美國通用汽車公司在1969年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項招標指標，即1.編程方便，現場可修改程序；2.維修方便，采用模塊化結構；3.可靠性高于繼電器控制裝置；4.體積小

14、于繼電器控制裝置；5.數據可直接送入管理計算機；6.成本可與繼電器控制裝置競爭；7. 輸入可以是交流115V；8. 輸出為交流115V， 2A 以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；9. 在擴展時，原系統只要很小變更；10. 用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。1969 年， 美國數字設備公司(DEC) 研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優點，很快地在美國其他工業領域推廣應用。到 1971 年，已經成功地應用于食品，飲料，冶金，造紙等工業。這一新型工業控制裝置的出現，也受到了世

15、界其他國家的高度重視。 1971 年，日本從美國引進了這項新技術，很快研制出了日本第一臺PLC。 1973 年，西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。我國從 1974 年開始研制,于 1977 年開始工業應用。2.PLC的種類和分類PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上圖 3-1與微型計算機相同，如圖所示：(一)中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。(2) 存儲器存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。存放

16、應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。PLC常用的存儲器類型：(1) RAM (Random Assess Memory)這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續照射下可擦除存儲器內容)。(3)EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) 這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。(3

17、) 電源PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統是無法正常工作的，因此PLC 的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。常見的 PLC的類型挺多的，有三菱的FX系列、西門子的 S7系列、 臺灣的豐煒等等。plc 的分類有：（ 一 ） 小型 PLC小型PLC的 I/O 點數一般在128點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量I/O 以外，還可以連接模擬量I/O 以及其他各種特殊功能模塊。它能執行包括邏輯運算、計時、計數、算術運算、數據處理和傳送

18、、通訊聯網以及各種應用指令。（ 二 ） 中型 PLC中型 PLC采用模塊化結構，其I/O 點數一般在2561024 點之間。 I/O 的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯接各種特殊功能模塊，通訊聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。（ 三 ） 大型 PLC一般 I/O 點數在 1024點以上的稱為大型PLC。 大型PLC的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯網功能強，有各種通訊聯網的模塊，可以構成三級通訊網，實現工廠生產管理自動化。大型PLC還可以采用三CPU構成表決式系統，

19、使機器的可靠性更高。3.PLC的選型在 PLC系統設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。因此工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需要的操作和動作，然后根據控制要求，估計輸入輸出點數、所需存儲器的容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統。（1） 機型的選擇 PLC的類型PLC按結構分為整體型和模塊兩類型型，按應用環境分為現場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32位、 64 位等。從應用

20、角度出發，通常可按控制功能或輸入輸出點數選型。整體型PLC的 I/0 點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統；模塊型PLC提供多種I/0 卡件或插卡，因此用戶可較合理的選擇和配置系統控制的I/0 點數， 功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統。經濟的考慮選擇PLC時，應考慮性能價格比。考慮經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出比較滿意的產品。輸入輸出點數對價格有直接影響。點當數增加到一數值后，相應的存儲器容量相應增加，因此，點數的增加對PLC選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統有較

21、合理的性能價格比。本課題所設計的自動門屬于小型控制系統，結合經濟性的考慮因此選用整體型PLC。（ 2）輸入輸出（I/O ）點數的估算I/O 點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，在增加10%到 20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數估算數據。 實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點對輸入輸出點數進行圓整。根據估算的方法故本課題的I/O 點數為輸入13點，輸出 6 點。（ 3）存儲器容量的選擇存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目實用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器的容量。設計階段，由于用戶程序還未編制，因此，程序

22、容量在設計階段是未知的，須在程序調試之后才知道。為了設計選型時， 能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來代替， 存儲器內存容量的估算沒有固定的形式，許多文獻資料中給出了不同的公式，大體上都是按數字量I/O 點數的 10到 15倍，加上模擬I/O 點數的 100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按次數的25%考慮余量。因此本課題的PLC內存容量選擇應能存儲索要儲存的程序，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。（ 4）控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等性能的選擇。根據本課題所設計的自動門控制系統的要求，主要介紹一下幾種

23、功能的選擇。控制功能PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需要的控制功能，提高PLC的處理速度和節省存儲器容量。編程功能離線編程方式：PLC和編程器共用一個CPU， 編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本，但使用和調試不方便。編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。診斷功能PLC的診斷功能爆孔硬件和軟鍵的診斷。硬件診斷通