1、 本科毕业论文（20 届）基于 PLC 气压基本回路设计（一）所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日基于 PLC 气压基本回路设计（一）摘要 ：本论文的重点放在气动回路的设计和 PLC 各硬件部分的设计和介绍、PLC 梯形图的编写上。利用气压传动实现机械手的物料搬运，具体来说包括实现机械手的各种动作控制，像上升、下降、左行、右行、夹紧以及放松的控制，通过可编程序控制器(S7-200PLC）的程序设计控制机械手的动作，并在实验台上利用
2、气压元件搭建的气动回路结合 PLC 模块来验证机械手臂和手抓的运动。另外该过程中还包括分析系统硬件要求，选择合适工作方式，选择合适的 CUP以及合理分配 I/O 地址和完成 PLC 外部接线图，最后完成气动机械手的程序设计梯形图。关键字：机械手 实验台 气压传动，可编程序控制器(S7-200PLC） Based on the PLC basic circuit design pressure (a)Abstract ：This paper focuses on the design of the pneumatic circuit and the design of the PLC hardw
3、are parts and introduction, the writing of the PLC ladder diagram.Manipulator by using pneumatic transmission, material handling, specifically including the action of manipulator control, such as up, down, left, right, clamping and relaxation control, through the programmable controller (S7-200 PLC
4、program design of the control action of the manipulator, and on the experiment using pneumatic components of pneumatic circuit combines PLC module to verify the movement of mechanical arm and hand grasp.The process also includes analysis of the system hardware requirements, choose the right way to w
5、ork, to choose the appropriate distribute the CPU and I/O address and complete the PLC external wiring diagram, finally complete the program design of ladder diagram of pneumatic manipulator.Key Words: manipulator, experiment table, Pneumatic Transmission，Programmable controller (PLC S7-200)目 录1 前 言
6、 .11.1 研究的目的及意义 .11.2 气动机械手简介 .11.2.1 气动技术 .11.2.2 气动机械手 .21.2.3 气动机械手的发展趋势 .41.3 PLC 的简介 .41.3.1 可编程控制器的概念 .41.3.2 PLC 的应用领域 .51.3.3 PLC 的系统组成 .61.3.4 PLC 的工作原理 .82 方案论证 .102.1 机械手的设计 .102.1.1 气动机械手的结构 .102.1.2 气动机械手的工作原理 .112.2 实验台气压元件简介 .112.2.1 气压系统 .112.2.2 气源装置 .122.2.3 气压缸 .132.2.4 气压控制阀 .152
7、.3 气压传动工作原理图 .173 系统电路的设计 .193.1 实验所用的各模块简介 .193.2.辅助开关 .243.3 PLC 的选型 .253.4 输入和输出信号 .263.5 程序设计 .273.6 PLC 外部接线 .30结 论 .32参考文献 .33致 谢 .3411 前 言机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境
8、中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.1 研究的目的及意义本课题试图借助开发 PLC 对物料分拣机械手的控制，和必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设
9、定的程序进行分拣，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，广泛应用于柔性生产线。采用 PLC 控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括驱动系统和控制系统的设计。1.2 气动机械手简介1.2.1 气动技术气动技术这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造2业领域越来越受到人们的重视，并
10、获得了广泛应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。气动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。 “Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneuma” ，其原义为“呼吸” ，后来才一演变成“气动技术” 。气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗幅射等优点广泛应用于汽车制造、电子、工业机械、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术己经突破传统的设计、制造理念，正在 IC/LCD、微电子、生
11、物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。1.2.2 气动机械手工业机械手使用最多的一种驱动方式是电机驱动。驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机。由于电机速度高，通常须采用减速机构(如谐波传动、RV 摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等)。这类
12、机械手的特点是控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。但是由于这类机械手价格昂贵，限制了在一些场合的广泛应用。因此，人们开始寻求其它一些经济适用的机械手驱动方式。随着气动技术获得了快速发展，其利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动设备，在满足社会生产实践需要的同时也越来越多的受到重视。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点，表 1.1 给出了各种控制方式的比较。3表 1.1 各种控制方式的比较项目 气压传动 液压
13、传动 电气传动 机械传动系统结构 简单 复杂 复杂 较复杂安装自由度 大 大 中 小输出力 稍大 大 小 不太大定位精度 一般 一般 很高 高动作速度 大 稍大 大 小响应速度 慢 快 快 中清洁度 清洁 可能污染 清洁 较清洁维护 简单 比气动复杂 需要专门技术 简单价格 一般 稍高 高 一般技术要求 较低 较高 最高 较低控制自由度 大 大 中 小危险性 几乎没问题 注意火 一般无问题 无特殊问题气动机械手是在己有的机械手基础上发展起来的。二者之间的区别在于气动机械手发展的起点颇高，它强调模块化的形式，把专用机械手和通用机械手结合起来。现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分
14、和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用情况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动机械手今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。因此，气动机械手可以代替一些功能不理想的工业机械手的地位，在目前的工业自动线上有着及其广泛的应用前景。41.2.3 气动机械手的发展趋势尽管世界工业经济发展放缓，使得气动机
15、械手的发展受到一定的影响，然而，作为新兴科学技术的产物，气动机械手的发展势不可挡。目前，气动机械手的发展呈现出了以下趋势：1、结构模块化2、控制智能化3、感觉功能变强4、系统应用与集成化5、可靠性越来越高6、易操作更灵活7、向微型化方向发展1.3 PLC 的简介1.3.1 可编程控制器的概念可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称 PLC。国际电工委员会（IEC）在 1985 年的 PLC 标准草案第 3 稿中，对 PLC 作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ”现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC 一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。PLC 具有如下特点：1、编程方法简单易学。2、功能强，性能价格比高。3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。4、可靠性高，抗干扰能力强。5、系统的设计、安装、调试工作量少。
