搬运机械手及其PLC控制系统设计

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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区毕 业 设 计（论文）题 目：搬运机械手及其PLC控制系统设计 系 ：机电工程系专 业：机电一体化 班 级：08机电（1）学 生：王 淼 清学 号： 08312111 指导教师：王春花老师、张乐平老师 职称：副教授摘 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。搬运机械手是能模仿人和臂的某些

2、动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。为了满足生产的需要，机械手要求设置多种工作方式，例如手动和自动（包括连续、单周期、单步和自动返回初始状态）工作方式。在运动控制方面，PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。所以利用PLC程序控制可以实现机械手的控制要求。通过梯形图程序使各动作电磁阀动作，配合各极限位置的限位开关，准确而又循环的连续操作。系统以液压传动为驱动方式，避免使用三相异步电动机，具有防过载的优点。机械手、PLC、液压系统组成的整体具有高效、安全、经济、实用等特点。关键词：搬运机械手；液压；电磁阀；可编程控制器（PLC）ABSTRACT With the pop

3、ularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can

4、be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern economic development. Handling manipulator is able to imitate some actions and arm function, fixed proc

5、edure of crawling, handling objects or tools automatically-operated equipment. In order to meet the needs of production, various working methods required for the manipulator, such as manual and automatic (including continuous, single cycle, and automatically return to the initial state in a single s

6、tep) works. In the area of motion control, PLC can be used for circular or linear motion control. Using PLC control manipulator control requirements can be implemented. By ladder diagram programs enable the solenoid valve action, combined with the extreme position of limit switches, accurate and con

7、tinuous operation of the loop. System in hydraulic-driven way, avoiding the use of three-phase induction motor, has the advantage of overload-proof. Manipulator, PLC, hydraulic system as a whole is an efficient, secure, economical and practical characteristics.Keywords: handling mechanical hands；hyd

8、raulic；solenoid valve；Programmable Logic Controller (PLC)目 录摘要 第一章 机械手的介绍 1 第二章 机械手抓取机构设计3 2.1 手部设计计算3 2.2 大臂上下移动机构设计 5 2.3 上臂左右移动机构设计6第三章 液压系统原理设计8 3.1手部抓取缸83.2大臂伸缩缸液压回路8 3.3上臂伸缩缸液压回路回路83.4 总体系统图9第四章 PLC的硬件设计12 4.1系统的主电路设计124.2 操作面板的设计134.3 PLC型号的选择144.4 PLCI/O分配表144.5 PLC的外部接线图164.6 电器元件的选用174.7电器

9、安装板接线图19第五章 PLC的程序设计22 5.1主程序22 5.1.1 动作要求22 5.1.2 工作方式22 5.1.3 程序的总体结构235.2子程序23 5.2.1 公用程序23 5.2.2 手动程序24 5.2.3 自动程序25 5.2.4 自动回原点程序30参考文献34附录 35致谢 39第一章 机械手的介绍1.1 机械手组成在我国，工业机器人的应用虽然起步较晚，但发展很快。目前，国内机器人已经从仿制引进阶段，逐渐过渡到自行设计和开发阶段了。机械手是在机械手、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件后哦操作工具的自动操作装

10、置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高科技领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能跟好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手通常用于机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的

11、部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求面有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转到、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。我设计的

12、是一种液压机械手。本机构具有快递、高效等优点。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求面有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的工作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，成为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机构有2-3个自由度。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。 (1)执行机构

13、：包括机械手部、大臂、上臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如1-1所示。 图1） 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物件的形式不同，可分为夹持式和 吸附式手部，由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。2） 大臂：支撑手部的部件，用以改变工件的空间位置。3） 上臂：支撑手部和大臂的部件，用以改变工件的空间位置。4） 立柱：指支撑上臂的部件，是机械手的基础部分，起着支撑和联接的作用。（2） 驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种方式。3

14、第二章 机械手抓取机构设计2.1手部设计计算一、 对手部设计的要求1、 有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、 有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。图2.1 机械手开闭示意图3、 力系结构

15、简单，重量轻，体积小 手部处于大臂的最前端，工作时运动状态多变，其结构、重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度等性能。因此。在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。4、 手指应有一定的强度和刚度5、 其它要求 因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。15二、 手部装置原理 如图2.2所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。图2.2 油缸示意图1、右腔推力为 Fp=（/4）DP =（/4）X0.7X25X10 =9616.25N2、根据钳爪夹持的方位

16、，查出当量夹紧力计算公式为： F1=(2b/a)X(cosa)N 其中N=4X98=392N，带入上式得： F1=(2b/a)X(cosa)X392 =1680N 则实际夹紧力为F1实际+F1K1K2/y=1680X1.5X1.1/0.85=3261N 经圆整F1=3300N3、计算手部活塞杆行程长L，即 L=（D/2）tan a =35tan30 =20.2 mm4、确定“V”型钳爪的L, 。 取L/Rcp=3 式中：Rcp=P/4=200/4=50 由上两式可得：L=Rcp=150取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=22395、机械运动范围（速度） (1)

17、伸缩运动 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s （2)上下运动 Vmax=600mm/s Vmin=60mm/s (3)左右运动 Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s 所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s6、手部右腔流量： Q=sv =60r =60X3.14X35 =230790mm/s7、手部工作压强 P=F1/S=3500/3846.5=0.86Mpa2.2 大臂上下移动机构设计大臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑手部，并带动他们在空间运动。大臂运动的目的，一般是把手部送达空间范围内的任意点上，从上臂的受力情况看，它在工作中即直接受着手部和工件的动、静载荷

18、，而且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上，所示在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。大臂的上下速度为200mm/s行程L为800mm1、 大臂右腔流量，由公式得： Q=sv=200XX45=1271700mm/s=1271.7mL/s2、大臂右腔工作压力，由公式得：P=F/S 式中：F-取工件重和大臂活动部件总量，估算F=500+150=650N，F摩=1000N。所以带入上式得：P=（F+F摩）/S=1650/X45=1.26Mpa2.3 上臂左右移动机构设计上臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑手部，并带动他们在空间运动。上臂运动的目的

19、，一般是把手部送达空间范围内的任意点上，从上臂的受力情况看，它在工作中即直接受着手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上，所示在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。上臂的伸缩速度为：300mm/s行程L为：800mm1.、上臂右腔流量，公式得：Q=sv=300XX50=2355mL/s2、 上臂右腔工作压力，公式得：P=F/S式中：F-活塞左右移动的摩擦力F摩=1000N。所以代入上公式得： P=F摩/S =1000/X50=0.13Mpa3、 绘制机构工作变参数变如下表2.4所示： 表2.4 机构工件参数表机构名称工作速

20、度行程工作压力流量手部抓紧60mm/s20mm0.86Mpa231mL/s大臂上下200mm/s800mm0.26Mpa1271.7mL/s上臂左右300mm/s800mm0.13Mpa2355mL/s 4、由初步计算选液压缸所需液压最高压力为0.86Mpa所需液压最大流量Q=2311mL/s选取CB-D型液压缸（齿轮泵）此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32-70mL/r之间，可以满足需要。5. 圆整各缸的数值： 手部抓取缸工作压力 P1=0.85Mpa 流量 Q1=231mL/s 大臂抓取缸工作压力 P2=0.25Mpa 流量 Q2=1271mL/s 上臂抓取

21、缸工作压力 P3=0.15Mpa 流量 Q3=2355mL/s第三章液压系统原理设计3.1 手部抓取缸 图3.1 手部抓取缸液压原理图1、 手部抓取缸液压原理如图3.1所示142、 泵的供油压力取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300mL/s。因此，需装图3.1所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。采用： YF-B10B 溢流阀2FRM5-20/102 调速阀23E1-10B 二位三通换向阀3.2 大臂伸缩缸液压回路图3.2大臂伸缩缸液压回路1、 大臂伸缩缸液压原理如图3.2所示2、 工作压力 P=0.25Mpa 流量 Q=1271ml/s采用： 2FRM5

22、-20/102 调速阀 34E1-10B 三位四通换向阀3.3 上臂伸缩缸液压回路回路 图 3.3 上臂伸缩缸液压回路1、 上臂伸缩缸原理图如图3.3所示2、 工作压力 P=0.15Mpa 流量 Q=2355ml/s采用： 23E1-10B 三位四通换向阀2FRM5-20/102 调速阀3.4 总体系统图 图3.4总体系统图1、 总体系统如图3.4所示2、 工作过程 下降夹持上升右移下降松开上升松开上升左移3、 电磁铁动作顺序表：表3.5 电磁阀顺序动作表元件动作1DT2DT3DD4DT5DT下降-+-夹持+-上升+-+-右移+-+-下降+-松开-上升-+-左移-+ 4、 确定电动机规格： 液

23、压泵选取CB-D型液压泵，额定供油压力P=1Mpa，工作流量在32-70ml/r之间，选取80L/min为额定流量的泵。因此：传动功率 P0=PQ/ 式中： =0.8（经验值）所示代入上式得： P0=1701000000/1000/60/0.8=1.677/81.46KW选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率1.5KW转速为2187.5r/min第四章 PLC的硬件设计4.1 系统的主电路设计本设计只由一个液压电机拖动，功率为1.5KW，要求设置过载与短路保护。这部电机的功率小，可直接起动，不需降压起动。液压电机控制电路接触器控制电路图4-1为电动机单向旋转接触器控制电路。图中QF为电源

24、开关,KM为接触器，KR为热继电器，SB2、SB1分别为起动按钮与停止按钮，M为三相鼠笼式感应电动机。电动机起动控制：合上电源开关QF，按下起动按钮SB2，其常开触点闭合，接触器KM线圈通电吸合，其主触点闭合，电动机接通三相电源起动。同时，与起动按钮SB2并联的接触器常开辅助触点闭合，使KM线圈经SB2触点与KM自身常开辅助触点通电，当松开SB2时，KM线圈仍通过自身常开触点继续保持通电，从而使电动机获得连续运转。电动机需停转时，可按下停止按钮SB1，接触器KM线圈断电释放，KM常开主触点与辅助触点均断开，切断电动机主电路及控制电路，电动机停转。电路保护环节（1） 短路保护 由断路器QF实现主

25、电路与控制电路的短路保护。（2） 过载保护 由热继电器KR实现电动机的长期过载保护。当电动机出现长期过载时，串接在电动机定子电路中的发热元件使双金属片弯曲，使串接在控制电路中的常闭触点断开，切断KM线圈电路，使电动机断开电源，实现保护目的。（3） 欠压和失压保护 当电源严重下降或电压消失时，接触器电磁吸力急剧下降或消失，衔铁释放，各触点复原，断开电动机电源，电动机停止旋转。一旦电源恢复时，电动机也不会自行起动，从而避免事故发生。因此，具有自保电路的接触器具有欠压与失压保护作用。9图4-1 主电路图4.2 操作面板的设计根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位

26、操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、左移、右移、夹紧，故设置六个动作开关按钮。另外设有启动停止按钮，还有负载电源、紧急停车两个按钮。设计如图4-2所示：图4-2 操作面板4.3 PLC型号的选择本次设计使用的是可编程控制实验装置。由于机械手系统的输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手的控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，仅需18个输入点和5个输出点，考虑留有一定的裕量。故选用德国西门子公司生产的多功能小型S7-200 CPU 226 CN主机，该机输

27、入点为24个，输出点为16个。4.4 PLC I/O分配表根据机械手动作的要求及各限位开关和各保护系统的开关设备，输入、输出点分配如表4-3所示。表4-3 I/O分配表 名称输入名称输出下限位I0.1下降Q0.0上限位I0.2夹紧Q0.1右限位I0.3上升Q0.2左限位I0.4右行Q0.3上升I0.5左行Q0.4左行I0.6松开I0.7下降I1.0右行I1.1夹紧I1.2手动I2.0回原点I2.1单步I2.2单周期I2.3连续I2.4返回原位I2.5起动I2.6停止I2.74.5 PLC的外部接线图图4-3 PLC的外部接线图4.6 电器元件的选用电动机运行的各相关参数：本次设计采用的电机是J

28、O2-21-2小型鼠笼型转子异步电动机，功率为1.5KW。经查表得：额定电压为380V，额定频率为50HZ,满载时，转速为2860r/min，电流3.24A，效率为80%，功率因数为0.87，起动电流为7.0A，起动转矩为1.8KNM，最大转矩为2.2KNM。估算出线路中出现的最大短路电流为18.5A。1. 塑料外壳式断路器的选用：（1）额定电压：它是表征断路器绝缘强度的参数，它是断路器长期工作的标准电压。为了适应电力系统工作的要求，断路器又规定了与各级额定电压相应的最高工作电压。（2） 额定电流：它是表征断路器通过长期电流能力的参数，即断路器允许连续长期通过的最大电流。（3）额定短路通断能力

29、：等于或大于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计算（4） 欠电压脱扣器电压：等于线路额定电压（5） 分励脱扣器额定电压：等于控制电源电压（6） 长延时电流整定值：电动机额定电流（7） 瞬时整定电流：（815）倍电动机额定电流（8）6倍长延时电流整定值的可返回时间：等于或大于电动机实际起动时间因此选型号为DZX19-63/130的限流塑料外壳式断路器，级数为1，额定电压为380V，壳架等级额定电流为63A，额定电流为20A，额定分断能力P-2为6KA，限流因数小于0.6，机电寿命4000次，外形尺寸：单极25.4mm，安装尺寸：长76.2mm，宽为64.6mm，高为88mm。2. 交流接

30、触器的选用： 电动机负载时的选用：本电机的功率为1.5KW，为一般任务型，选配接触器时只要使选用接触器的额定电压和额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可。因此选用型号为CJ8-10的交流接触器，额定电流为10A，接触器所能控制电动机的最大功率为4.0KW，机械寿命为330万次，电寿命为60万次，开断能力为10倍，接通能力为12倍，最高操作频率为1200次/时，外形尺寸为长、宽、高为69、68、90mm。3. 热继电器的选用本设计的电动机处于长期工作制，（1） 根据电动机起动时间，选取6IN,下具有相应可返回时间的热继电器，通常在6IN下热继电器的可返回时间与动作时间有下列关系：t1

31、=(0.50.7)t2式中，t1为继电器在6IN下可返回时间；t2为继电器在6IN下动作时间，而t2值可在热继电器安秒特性上查出。热继电器整定电流范围的中间值为电动机的额定工作电流。使用时，热继电器的旋钮应跳到该额定值，否则将不能起动保护作用。因此选型号为LR1-D09308的热继电器，整定电流范围为2.54A，控制电动机功率（AC3）为1.5KW。外型尺寸为长宽高各为104、44、35mm。4.控制按钮的选用：按钮通常是用来短时接通或者断开小电流控制电路的一种主令电器，其选用依据主要是根据需要的触点对数、动作要求、是否需要带指示灯、使用场合以及颜色等要求。目前，按钮产品有多种结构型式、多种触

32、头组合以及多种颜色，供不同使用条件选用。例如急停操作一般选用蘑菇形，停止按钮通常选择红色等。本设计中的控制按钮选用型号为LA2（J），额定电压为380V，额定电流为5A，控制容量为300VA，机械寿命为100万次，电寿命为50万次，操作频率为1200次/小时，外形尺寸：37mm，长54.5mm，安装尺寸为长宽都为40mm；急停按钮选择型号为NP2-BS442。 组合开关选型号为HZ15-10/501的组合开关，接线方式为板后接线，极数为5，外形尺寸为长宽高各为85、65、90mm，安装尺寸为长宽高各为75、60、104mm。5.行程开关的选用：（1） 根据应用场合及控制对象选择：选用一般用途行

33、程开关。（2） 根据安装环境选择防护式，选用开启式。（3） 根据控制回路的电压和电流选择行程开关系列。（4） 根据机械与行程开关的传力与位移关系选择合适的头部形式。选择型号为LXl9-001，额定电压是380V，额定电流为5A，结构形式为无滚轮，仅用传动杆，能自复位，常开常闭的触头都为1对，触头转换时间小于0.04s，工作行程4 mm，超行程3mm。6. 熔断器的选用熔断器的选择主要包括熔断器类型、额定电压、熔断器额定电流与熔体额定电流的确定。（一） 熔断器类型与额定电压选择根据负载保护特性和短路电路大小、各类熔断器的适用范围来选用熔断器的类型。根据被保护的电压来决定熔断器的电压。（二） 熔体

34、与熔断器额定电流的确定熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关。对笼型感应电动机其熔断器熔体的额定电流为：单台电动机 INF=(1.52.5)INM式中，INF为熔体额定电流(A)；INM为电动机额定电流（A）选择型号为R1-10的熔断器，额定电压为220V，额定电流为10A，熔体额定电流为10A，极限分断能力为1000A，外形尺寸为长宽高各为65、25、35mm，安装尺寸为长宽高各为72、24、30mm1。元器件一览表：序号代号名称数量规格型号备注1JO2电动机1JO2-21-22FR热继电器1LR1-D093083KM接触器1CJ8-10电压220VAC4SQ01SQ04限位开关4LXl9

35、-0015SA01组合开关1HZ15-10/5016SB按钮11LA2（J）7XT1，XT2端子排2TZ1-10L8QF断路器1DZX19-63/1309FU熔断器1R1-104.7 电器安装板接线图按国家标准GB5226-85规定，电柜内电气元件必须位于维修台之上0.42m之间。所有器件的接线端子和五连端子，必须位于维修台之上至少0.2m处，以便装拆导线。安排器件时，一个电器与另一个电器元件的导电部件之间的爬电距离和电气间隙不得低于10和6mm。电柜和壁龛中裸露、无电弧的带电与电柜或壁龛导体壁板间必须留有间隙：不小于15mm9。电柜内的电器可按下述原则布置：（1） 一般监视器件布置在电柜仪表

36、板上，测量仪表布置在仪表板上部，指示灯布置在仪表板下部。（2） 体积大或较重的电器元件安装在电柜下方；发热元件安装在电柜的上方，对于板型电阻装于地面1.7m以上的区域，对于管行电阻应装于柜后部。（3） 强电弱电应分开，弱电部分应屏蔽和隔离，以防强电及外界的干扰。（4） 布置电器元件时，应留布线、接线、维修和调整操作的空间间距。（5） 电器布置应考虑整齐、美观、对称。尽量使外形与结构尺寸相同的电器元件安装在一起，便于加工、安装和配线。（6） 接线座的布置：对用于相邻柜间连接用的接线座应布置在柜的两侧；用于与柜外部接线的接线座应布置在柜的下部且不得低于200mm9。根据以上原则：断路器QF、接触器

37、KM、热继电器KR安装在电器安装板里，行程开关通过端子排连接到外部的开关电路；各手动按钮通过端子排连接到操作面板上，PLC的CPU放在最下方，各I/O口输入输出点通过走线槽用导线连接到端子排。断路器QF、接触器KM、热继电器KR之间的连线可直接敷在走线槽，不必连到端子排。具体的接线方式如下图所示。注：选择型号为TZ1-10L的XT1、XT2，额定电压为380V，额定电流为10AA，外形尺寸：长宽高各为40、39、8mm。图4-4 PLC外部接线图 第五章 PLC程序的编写5.1 主程序5.1.1 动作要求为了满足生产的需要，很多设备要求设置多种工作方式，例如手动和自动（包括连续、单周期、单步和

38、自动返回初始状态）工作方式。手动程序比较简单，一般用经验法设计，复杂的自动程序一般根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计。 图5-1 动作流程图 本课题的机械手用来将工件从A点搬运 到B点（见图5-1，右图），操作面板如图5-2所示（同图4-2所示），图5-3（同图4-3）是PLC的外部接线图。输出Q0.1为1状态时被夹紧，为0状态时被松开。工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板左下部的6个按钮（I0.5-I1.2）是手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障）能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM（见图5-3）。在运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得

39、电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。 5.1.2 工作方式系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式。在手动工作方式，用I0.5-I1.2对应的6个按钮分别独立控制机械手的升、降、左行、右行和夹紧、松开。机械手在最上面和最左边，且夹紧装置松开时，称为系统处于原点状态（或称初始状态）。在进入单周期、连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态；如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，然后 图5-1 机械手示意图 按返回原位按钮I2.5，使系统自动返回原点状态。在原点状态，顺序功能图 中的初始步M0.0为ON，为进入单周期、

40、连续和单步工作方式做好了准备。机械手从初始状态开始，将工件从A点搬运到B点，最后返回初始状态的过程，称为一个工作周期。在单周期工作方式，在初始状态按下起动按钮I2.6后，从初始步M0.0开始，机械手按顺序功能图（见图5-7）的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。在连续工作方式，在初始状态按下起动按钮，机械手从初始步开始，工作一个周期后又开始搬运下一个工件，反复连续地工作。按下停止按钮，并步马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。在单步工作方式，从初始步开始，按一下起动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工件并停留在该步，在按一下起动按钮，才开始

41、执行下一步的操作。单步工作方式常用于系统的调试。5.1.3 程序的总体结构图5-4（右图）是主程序OB1，SM0.0的常开触点一直闭合，公用程序是无条件执行的。在手动方式，I2.1为ON，执行“回原点”子程序。在其他3种工作方式执行“自动”子程序。 5.2 子程序 图5-4 主程序图 5.2.1 公用程序 公用程序（见图5-5）用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理。左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点的串联接通时，“原点条件”M0.5变为ON。当机械手处于原点状态（M0.5为ON），在开始执行用户程序（SM0.

42、1为ON）、系统处于手动状态或自动回原点状态（I2.0或I2.1为ON）时，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。如果此时M0.5为OFF状态，M0.0被复位，初始步为不活动步，按下起动按钮也不能进入M2.0，系统不能在单步、单周期或连续工作方式下工作。当系统处于手动工作方式和回原点时，必须将如5-7中除初始步以外的各步对应的存储器位（M2.0-M2.7）复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误的动作。如果不是回原点方式，I2.1的常闭触点闭合，将代表回原点顺序功能图（见图5-1

43、0）总的各步的M1.0-M1.5复位。 在非连续方式，I2.4的常闭触点闭合，将表示连续工作状态的标志M0.7复位。图5-5 公用程序5.2.2 手动程序图5-6是手动程序，为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的连锁：1） 设置上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，以防止功能相反的两个输出同时为ON。2） 用限位开关I0.1-I0.4的常闭触点，限制机械手的范围。3） 上限位开关I0.2的常开触点与控制左、右行的Q0.3和Q0.4的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞。4） 只允许机械手在最左边或最右边时上升、下降和松开工件。 图5

44、-6 手动程序5.2.3 自动程序 本次设计采用的编程方式选用方案为起保停电路的编程方式：用辅助继电器代表步，仅仅使用与触电和线圈有关的指令。编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但因为存在大量的自保持触点，使程序代码较长。7 图5-22是处理但周期、连续和单步工作方式的顺序功能图，图5-23是用起保停电路设计的程序，M0.0和M2.0-M2.7用典型的起保停电路控制。 单周期、连续和单步这3种工作方式主要用“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分。（1）单步与非单步的区分M0.6的常开触点接在每一个控制代表的存储器位的起动电路中，它们断开时禁止步的活动状态的转换。如果系统处

45、于单步工作方式，I2.2为1状态，它的常开触点断开，“转换允许”存储位M0.6在一般情况下为0状态，不允许步与步之间的转换。当某一步的工作结束后，转换条件满足，如果没有起动按钮I2.6，M0.6处于0状态，起保停电路的起动电路的起动电路处于断开状态，不会转换到下一步。一直要等到按下启动按钮I2.6，M0.6在I2.6的上升沿ON一个扫描周期，M0.6的常开触点，系统才会转换到下一步。图5-7 顺序功能图系统工作在连续、单周期（非单步）工作方式时，I2.2的常开触点接通，使M0.6为1状态，串联在各起保停电路的起动电路中的M0.6的常开触点接通，允许步与步之间的正常转换。图5-8 梯形图 （2）

46、 单周期与连续的区分 在连续工作方式，I2.4为1状态。在初始步为活动步时按下启动按钮I2.6，M2.0变为1状态，机械手下降。与此同时，控制连续工作的M0.7的线圈“通电”并自保持。 当机械手在步M2.7返回最左边时，I0.4为1状态，因为“连续”标志位M0.7为1状态，转换条件M0.7I0.4满足，系统将返回M2.0，反复连续地工作下去。 按下停止按钮I2.7后。M0.7变为0状态，但是机械手不会立即停止工作，在完成当前工作周期的全部操作后，机械手返回最左边，左限位开关I0.4为1状态，转换条件M0.7 I2.4满足，系统才从M2.7返回并停留在初始步。在单周期工作方式，M0.7一直处于0

47、状态。当机械手在最后一步M2.7返回最左边，左限位开关I0.4为1状态，转换条件M0.7 I2.4满足，系统返回并停留在初始步。按一次启动按钮，系统只工作一个周期，（3） 单周期工作过程 在单周期工作方式，I2.2（单步）的常闭触点闭合，M0.6的线圈“通电”，允许转换。如果满足原点条件，在初始步时按下起动按钮I2.6，在M2.0的起动电路中，M0.0、I2.6、M0.5(原点条件)和M0.6的常开触点均接通，使M2.0的线圈“通电”，系统进入下降步，Q0.0的线圈“通电”，机械手下降，碰到下限位开关I0.1时，转换到夹紧M2.1，Q0.1被置位，夹紧电磁阀的线圈通电并保持。同时接通延时定时器

48、T37开始定时，1s后定时时间，工件被夹紧，转换条件T37满足，转换到步M2.2。以后系统讲这样一步一步地工作下去。在左行步M2.7，当机械手左行返回原点位置，左限位开关I0.4变为1状态，因为连续工作标志M0.7为0状态，讲返回初始步M0.0，机械手停止运动。（4） 单步工作过程在单步工作方式，I2.2为1状态，它的常闭触点断开，“转换允许”辅助继电器M0.6在一般情况下为0状态，不允许步与步之间的转换。设初始步时系统处于原点状态，M0.5和M0.0为1状态，按下起动按钮I2.6，M0.6变为1状态，使M2.0的起动电路接通，系统进入下降步。放开起动按钮后，M0.6变为0状态。在下降步，Q0

49、.0的线圈“通电”，当下限位开关I0.1变为1状态，与Q0.0的线圈串联的I0.1的常闭触点断开（见图5-24输出电路中最上面的网络），使Q0.0的线圈“断电”，机械手停止下降。I0.1的常闭触点后，如果没有按起动按钮，I2.6和M0.6处于0状态，不会转换到下一步。一直要等到按下起动按钮，I2.6和M0.6处于1状态，M0.6的常开触点接通，转换条件I0.1才能使图5-23中M2.1的起动电路接通，M2.1的线圈“通电”并自保持，系统才能由步M2.0进入步M2.1。以后在完成某一步的操作后，都必须按一次起动按钮，系统才能转换到下一步。图5-23中控制M0.0的起保停电路如果放在M2.0的起保

50、停电路之前，在单步工作方式M2.7为活动步时按起动按钮I2.6，返回步M0.0后，M2.0的起动条件满足，将马上进入步M2.0，这样连续跳两步是不允许的。将控制M2.0的起保停电路放在控制M0.0的起保停电路之前和M0.6的线圈之后可以解决这一问题，在图5-23中，控制M0.6（转换允许）的是起动按钮I2.6的上升沿检测信号，在步M2.7按起动按钮，M0.6仅ON一个扫描周期，它使M0.0的线圈通电后，下一个扫描周期处理控制M2.0的起保停电路时，M0.6已经变为0状态，所以不会使M2.0变为1状态，要等到下一次按起动按钮时，M2.0才会变为1状态。（5） 输出电路输出电路是自动程序的一部分，

51、输出电路中I0.1-I0.4的常闭触点是为单步工作方式设置的，以下降为例，当机械手碰到下限位开关I0.1后，与下降步对应的存储器位M2.0或M2.4不会马上变为OFF，如果Q0.0的线圈不与I0.1的常闭触点串联，机械手不能停在下限位开关I0.1处，还会继续下降，对于某些设备，可能造成事故。5.2.4 自动回原点程序 图5-10是自动回原点程序的顺序功能图和用起保停电路设计的梯形图。在回原点工作方式，I2.1为ON。按下返回原位按钮I2.5时，机械手可能处于任意状态中，根据机械手当时所处的位置和夹紧装置的状态，可以分为3中情况，采用不同的出路方法：（1） 夹紧装置松开（Q0.1为0状态） 表明

52、机械手没有夹持工件，应上升和左行，直接返回原点位置。按下返回原位按钮I2.5，应进入图5-25中的上升步M1.4，转换条件为I2.5Q0.1。如果机械手已经在最上面，上限位开关I0.2为1状态，进入上升后，因为转换条件已经满足，将马上转换到左行步。（2）夹紧装置处于夹紧状态，机械手在最右边此时Q0.1和I0.3均为1状态，应将工件搬运到B点后在返回原点位置。按下返回原位按钮I2.5，机械手应进入下降步M1.2，转换条件为I2.5Q0.1I0.3，首先执行下降和松开操作。 图5-9 输出回路释放工件后，再返回原点位置。（3） 夹紧装置处于夹紧状态，机械手不在最右边此时Q0.1为1状态，右限位开关

53、I0.3为0状态。按下起动按钮I2.6，应进入M1.0，转换条件为I2.5Q0.1I0.3，首先上行、右行、下降和松开工件，将工件搬运到B点后在返回原点位置。机械手返回原点位置后，原点条件满足，公用程序中的原点条件标志M0.5为1状态， 图5-9 输出回路因此此时I2.1为ON，图5-7顺序功能图中的初始步M0.0在公用程序中被置位，为进入单周期、连续和单步工作方式做好了准备，因此可以认为自动程序的顺序功能图的初始步M0.0是步M1.5的后续步。40 图5-10 自动返回原点的顺序功能图与梯形图 参考文献：1 工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：水利水电出版社.1983.1

54、02 许志军工业控制组态软件及应用北京：机械工业出版社2005，192-1983 王承义机械手及其应用北京：机械工业出版社，1981，12-254 廖常初. PLC编程及应用（第三版）北京：机械工业出版社，1998，12-605 林小峰可编程序控制器及应用北京：高等教育出版社，1991，17-266 王永华现代电气及可编程序控制器技术北京：航空航天大学出版社，2003，32-457 廖常初可编程控制器的编程方法与工业应用重庆：重庆大学出版社，2001，26-378 郭洪红工业机器人技术西安：西安电子科技大学出版社，2006年，20-289 赵明，许蓼工厂电气控制设备北京：机械工业出版社1996

55、，110 杨长能，张兴毅可编程序控制器基础及应用重庆：重庆大学出版社1992，31-5211 袁秀英组态软件技术北京：电子工业出版社2003，6-37，154-15912 吴建强可编程控制器原理及其应用哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998，12-6013 陈立德机械设计基础（第三版）北京：高等教育出版社，2007，235-34414 丁树模，丁问司液压传动（第三版）北京：机械工业出版社，2009，1-17415 李允文.工业机械手设计M.北京：机械工业出版社，1996附 录语句表：主程序MAIN : OB1 手动程序：SBR_1LD SM0.1LDI1.2 CALL SBR_0S Q0.1,1 LD I2.0LDI0.3CALL S