1. 引言1.1 课程设计的目的：电气控制系统是由各种低压电器和PLC 控制器按一定要求组成的控制系统。

通过机电传动系统课程设计，进一步掌握各种低压电器和PLC 的结构原理、选用及使用；正确处理使用中出现的各种问题；了解器件和系统之间的关系；培养正确的设计思想、理论联系实际的工作作风、分析问题和解决问题的能力、运用标准与规范的能力、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。

1.2 课程设计的内容及要实现的目标： 如图所示：图1. 模型图 主要内容包括：1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动、停止功能;3. 运用功能指令进行PLC 控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 程序结构与控制功能自行设计；5. 进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。

要实现的目标：有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A 送到加工位置，然后由机械手将加工物送至工作台1的位置进行第一次加工，当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起送至工作台2进行第二步加工：当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。

15 左移ST414 上升YA3ST1图2. 机械手工艺流程图机械手工作前应位于原点，不同的位置分别装有行程开关。

ST1为下限为开关，ST2为上限位开关，ST3为右极限位开关，ST3为左限位开关。

机械手的上、下、左、右移动以及工件的夹紧，均由电磁阀驱动气缸来实现。

电磁阀YA1通电，机械手下降；电磁阀YA2通电，夹紧工件；电磁阀YA3通电，机械手上升；电磁阀YA4通电，电磁阀右移；电磁阀YA5通电，机械手左移。

2.系统总体方案设计：2.1系统硬件配置及组成原理：系统硬件配置：机械手臂系统的设计采用日本三菱FX2N系列PLC。

PLC的种类很多，大、中、小型PLC的功能不尽相同，其配置也有所不同，但主要的配置大体上是相同的，由中央控制单元CPU、存储器、输入/输出（I/O）电路、电源及编程器等构成。

PLC的输入电路是用来采集被控设备的检测信号或操作指令的，输出电路则是用来驱动被控设备的执行结构，而执行机构与检测信号、操作命令之间的控制逻辑则靠微处理器执行用户程序来实现。

PLC 的一般采用对用户程序循环扫描的工作方式。

图3. PLC系统组成框图2.2 系统可靠性设计：可靠性设计是指在规定的条件下和规定的时间内系统完成其规定的功能的能力，或者说是系统保持其功能在正常实现的时间。

在设计机械手时，为保证其可靠性，在机械手夹紧和松开过程中必须要有保持时间，在工件加工过程中必须保证工件以加工完成通过预留加工时间保证。

3.控制系统设计：3.1I/O估算：输入点的估算：分别需要总开关SB1、上、下、左、右极限限位开关。

共五个输入点。

输出点的估算：分别需要原点显示灯HL接口、上、下、左、右移动电磁阀、夹紧电磁阀。

共六个输出点。

3.2PLC的选型：根据I/O估计的输入、输出点数以及结合《三菱PLC编程手册》选择PLC的型号为日本的三菱FX2N-16M.该型号的输入输出点数分别为8点，符合按估算数在增加15%~20%的输入、输出点数，以备将来调整、扩充使用。

（1）Plc的功能，plc的功能与说完成的机械手臂的控制任务相适应，机械手完成的任务无非是一些简单的顺序控制及简单的逻辑运算，计数器等基本功能，选择三菱FX2N-16M足以。

（2）输入电路模块，plc的输入与限位开关ST的输出相连。

（3）输出电路模块，输出电路的任务是将PLC的内部输出信号变换成可以驱动执行机构的控制信号，plc是通过控制电磁阀的动作来控制机械手的移动。

综上所述：不管是从plc的价格、可靠性、可扩充性、维修和软件开发的难易还是从输入输出点数选择三菱FX2N-16M都是一个不错的选择。

3.3I/O分配表设计：表1.为现场信号与PLC输入、输出连线表，它表示了机械手各位置检测信号和执行元件与PLC输入输出接点的连接。

现场器件内部继电器地址说明输入输出SB1ST1ST2ST3ST4YA1YA2YA3YA4YA5HLX20X21X22X23X24Y001Y002Y003Y020Y021Y000启动按钮下限位开关上限位开关右限位开关左限位开关下降电磁阀夹紧电磁阀上升电磁阀右移电磁阀左移电磁阀原位指示灯表1. I/O分配表3.4外部接线图设计：根据表1画出plc与现场器件外部接线图如图4 所示。

原点显示下降电磁阀夹紧电磁阀上升电磁阀右移电磁阀图4. 外部接线图设计3.5控制程序流程图设计：图5. 控制程序流程图3.6 控制程序设计：根据课程设计要求要实现的目标来解读控制程序的设计思路。

（1）一个循环的开始，机械手必须在原始位置。

（2）过程一：按下启动按钮SB1，下降电磁阀YA1通电，机械手由原点下降，碰到下限位开关ST1后，停止下降；夹紧电磁阀通电，将工件夹紧，为保证工件可靠的夹紧，机械手在该位置等待3S;上升电磁阀YA3通电，机械手开始上升，碰到上限位开关ST2后，停止上升；右移电磁阀YA4通电，机械手右移动，碰到右极限限位开关ST3后，停止右移；下降电磁阀YA1通电，机械手下降，碰到下极限位开关ST1后，停止下移；夹紧电磁阀YA2失电，将工件松开，放在工作台1上加工，为确保可靠的松开，机械手在该位置停留2S；上升电磁阀YA3通电，机械手上升，碰到上极限限位开关ST2后，停止上升。

（3）过程二：在第二步原点处，为确保工件加工完成，机械手将在此位置停留30S；下降电磁阀YA1通电，机械手由原点下降，碰到下限位开关ST1后，停止下降；夹紧电磁阀通电，将工件夹紧，为保证工件可靠的夹紧，机械手在该位置等待3S;上升电磁阀YA3通电，机械手开始上升，碰到上限位开关ST2后，停止上升；右移电磁阀YA4通电，机械手右移动，碰到右极限限位开关ST3后，停止右移；下降电磁阀YA1通电，机械手下降，碰到下极限位开关ST1后，停止下移；夹紧电磁阀YA2失电，将工件松开，放在工作台2上加工，为确保可靠的松开，机械手在该位置停留2S；上升电磁阀YA3通电，机械手上升，碰到上极限限位开关后，停止上升。

（4）过程三：在第三步原点处，为保证工件加工完成，机械手将在此位置停留30S，下降电磁阀YA1通电，机械手由原点下降，碰到下限位开关ST1后，停止下降；夹紧电磁阀通电，将工件夹紧，为保证工件可靠的夹紧，机械手在该位置等待3S;上升电磁阀YA3通电，机械手开始上升，碰到上限位开关ST2后，停止上升；右移电磁阀YA4通电，机械手右移动，碰到右极限限位开关ST3后，停止右移；下降电磁阀YA1通电，机械手下降，碰到下极限位开关ST1后，停止下移；夹紧电磁阀YA2失电，将工件松开，放在工作台2上加工，为确保可靠的松开，机械手在该位置停留2S；上升电磁阀YA3通电，机械手上升，碰到上极限限位开关ST2后，停止上升。

左移电磁阀YA5通电，机械手左移，碰到左限位开关后，停止左移。

完成机械加工的一个循环。

（5）根据图4所示外部接线图，可绘制满足机械手控制任务的状态转移图程序如图6所示。

但在程序中，四次出现了Y010和Y012,这个是不允许的。

因此要用辅助继电器代替。

在图6中，由于M100~M103有一个为“1”时，就要使Y010为“1”，M106~M111中有一个为“1”时，就要使Y012为“1”。

X022x021T1T2T3图6. 状态转移图程序在图6的状态转移图中，S1为初始状态（在三菱FX2NPLC中S0~S19可作为初始状态元件），S20~S35分别表示机械手完成搬运任务的顺序动作的状态元件。

另外，按照I/O分配表、外部接线图及状态转移图程序，可编制的梯形图如图7所示：图7. 梯形图3.7创新设计内容：（1）为保证机械手夹紧和松开可靠，在各个位置停留等待一定的时间。

（2）为保证零件的加工完成及可靠性。

零件在加工中机械手必须回复至上极限位置，并在该位置等待30S。

（3）若机械手回到第一步原点，表明一个循环程序的结束和一个程序的即将开始，以HL灯作为显示。

4.系统调试及结果分析：4.1 系统调试及解决的问题：运用编程软件’SWOD5S-FXTRN-BEG-C’编写的梯形图程序，经运行出现了好几处的问题，致使程序不够完美的实现预定的功能。

但经过自己的反复考虑及反复的调试下，程序基本可以实现课程设计所要求的动作顺序及功能。

例如：在状态转移图中，多次出现Y001和Y003这个是不被允许的，因此需要用辅助继电器进行代替，同样为了更加的符合状态转移图的动作流程，编辑相对应的梯形图。

4.2 结果分析：程序基本实现了机械手的动作顺序。

但对于突然的事故如停电，程序的动作没有记忆功能，显得不足。

5.课程设计的总结：通过本次关于机械手的课程设计，使我加深了对PLC梯形图、指令表、外部接线图以及状态转移图的理解，还经过在图书馆学习和在网上查找一些资料及回忆以前参加工作接触到机械手和其程序，也使我跟好的理解和认识了关于PLC的原理和实际中的应用过程。

在本次设计中通过不断的调整和更改程序设计中的不足问题，使我更加熟练的运用一些PLC的编程软件。

本次的课程设计是一个非常有意义的综合性的更加深入的学习过程，在吴老师的生情投入的讲解下，让我们明白了如何去更好的、规范的完成课程设计报告。

作为大学生活的一部分，课程设计让我们的学习生活及精神生活更加的充实。

从中我们不仅实践了我们所学的知识，更锻炼了我们为人处事的一种态度。

鉴于所学知识有限，经验不足。

在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请老师予以批评和指正。

参考文献：【1】冯清秀，邓星钟.机电传动控制【M】.5版.武汉：华中科技大学出版社，2013.【2】杨裕根.现代工程图学【M】.3版.北京：北京邮电大学出版社，2009. 【3】姜培刚，盖玉先.机电一体化系统设计【M】.北京:机械工业出版社，2014.。