目录1.机械手与PLC介绍 (1)1.1机械手的介绍 (1)1.2 PLC的介绍 (2)1.3 机械手设计任务书 (2)2.电器控制部分设计 (4)2.1系统的整体设计分析 (4)2.2主电路设计 (4)2.3操作面板设计 (5)2.4 PLC选型 (6)2.5 I/O地址分配 (8)2.6 电器原件 (9)3.机械手程序设计 (11)3.1机械手电气控制系统流程图 (11)3.2 梯形图程序设计 (11)4.设计小结 (20)【参考文献】 (21)机械手电气控制系统设计班级：20121057班学号：2012129232 姓名：周毅指导老师：钟先友【摘要】机械手是工业控制和加工中经常用到的执行部件，具有能适应恶劣工作环境、效率高、安全稳定和可进行高强度工作的优点，在自动化生产线上有广泛的应用。

机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。

PLC 设计的机械手采用电气可编程控制技术与液压技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；电气方面有交流电机、热继电器、变压器、熔断器等器件组成。

机械手的程序设计分为用户程序、调试程序、自动运行程序。

用户程序主要实现对电机的启动以及调用子程序，调试程序可以实现单步执行动作，通过按钮可以调节机械手的每一个动作，自动运行程序，可以实现机械手的自动运行。

【关键词】：机械手 PLC 电气控制1.机械手与PLC介绍1.1机械手的介绍工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

按用途分：机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手，它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心批量的自动化生产的自动换刀机械手。

通用机械手，它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。

通过调整可在不同场合使用，驱动系统和性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。

通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。

按控制方式分点位控制，它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。

若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。

目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

连续轨迹控制，它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。

这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制[4]。

本设计中的机械手采用关节式结构，并用电磁阀控制。

动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。

1.2 PLC的介绍概念：可编程序控制器，英文称 Programmable Controller，简称 PC。

但由于 PC 容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC 作为可编程控制器的缩写。

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

工作原理：PLC 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在 PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC 的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

特点： 1. 抗干扰能力强、可靠性高。

2. 控制系统结构简单，通用性强。

3. 编程方便，易于使用。

4. 功能强大，成本低。

5. 设计、施工、调试的周期短。

6. 维护方便。

1.3 机械手设计任务书机械手结构、动作与控制要求机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。

本设计中的机械手采用关节结构。

各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。

动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则制的电气控制系统。

机械手的结构如图1-1所示，主要由手指1、手腕2、小臂3和大臂5等几部分组成。

料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。

每次转动一定角度(由工件数决定)以保证待工零件4对准机械手。

图1-1机械手外形及其与料架的配置1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6-料架以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是:由原始位置将已加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。

具体动作顺序是：原始位置(大手臂竖立，小手臂伸出，手指松开) →大手臂下摆→手指夹紧(抓住卡盘上的工件)→大手臂上摆→小手臂收缩→手腕旋转90度→镗孔加工→镗孔加工完成→料架转动90度→手腕旋转90度→小手臂伸出→大手臂下摆→手指松开(工件放回料架)→小手臂收缩→料架转动90度→小手臂伸出→手指夹紧(抓住未加工零件) →大手臂上摆→小手臂收缩→手腕旋转90度→镗孔加工→镗孔加工完成。

如表1-2所示。

可自行列出各动作中对YV1～YV9线圈的通电要求表1-2 电磁阀状态表YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 YV6 YV7 YV8 YV9手指的夹紧与放松夹紧+放松+设计要求：1)加工中上料、下料各动作采用自动循环。

2)各动作之间应有一定的延时(由时间继电器调定)。

3)机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。

4)油泵电机(采用Y100L2-4.3kW)及各电磁阀运行状态应有指示。

5)应有必要的电气保护与联锁不节。

2.电器控制部分设计2.1系统的整体设计分析整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作，工件通过光电开光进行检测。

机械手的各个动作由液压驱动，而液压控制阀由相应的电磁阀控制。

机械手的全部动作由 PLC 控制完成。

2.2主电路设计电源选择：PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。

重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。

电机选择：Y2 系列三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，产品现已达到九十年代国际先进水平，是 Y 系列电机的更新产品。

外壳防护等级 IP54，它具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，电机采用 E 级或 B 级绝缘，外壳防护等级为 IP44，冷却方式为 ICO141，额定频率为 50Hz，额定电压为 220V。

选用 Y2-63M2-2，功率 250W，可满足生产需要。

通过接触器开关的闭合，电流通过接触器的线圈，使主电路吸合，使机械手的动作都能够运作电磁阀控制手指夹紧、手指放松、手腕左移、手腕右移、小臂伸出、小臂缩回、大臂上摆、大臂下摆、料架转动各个动作。

在主电路中，加了相关的保护功能，能够有效避免电路的故障。

而刀开关 QK 起电路隔离作用。

熔断器 FU 作为电路后备短路保护。

而热继电器FR具有对电机的过载、保护。

图2-1 主电路图2.3操作面板设计操作面板的设计主要考虑要操作方便，能够操作机械手的各个动作进行设计。

选用选择开关进行调节自动和调试操作，各个动作进行点动操作。

通过控制面板各个按钮来控制机械手的手指夹紧、手指放松、手腕左移、手腕右移、小臂伸出、小臂缩回、大臂上摆、大臂下摆、料架转动各个动作，进行调试机械手的运行。

机械手的操作面板如下图，机械手能够实现自动、调试、回原位的工作方式。

调试工作方式时，用各个按钮的点动实现相应的动作。

回原位置工作方式时，按下相应的按钮，则机械手返回原位置。

自动工作方式时，每按下一次启动按钮，则机械手自动运行一个周期。

图2-2 控制面板图2.4PLC 的选型由于市场的需求和西门子 PLC 的广泛应用所以选取的是 S7-200.我们对其进行简要说明： S7-200 系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）。

这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要， S7-200 Micro PLC 的CPU22*系列 PLC具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得 S7-200 可以近乎完美地满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU 类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。

S7-200 CPU 模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量 I/O 点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。

CPU 负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。

输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。

电源向 CPU 及其所连接的任何模块提供电力。

通讯端口允许将 S7-200CPU 同编程器或一些设备连接起来。

状态信号灯显示了 CPU 的工作模式（运行或停止），本机的 I/O 的当前状态，以及检查出来的系统错误。

通过扩展模块可以增加 CPU 的 I/O 点数（CPU221 不可以扩展）。

通过扩展模块可以提供其通讯功能。

一些 CPU 具有内置实时时钟，其他 CPU 需要实时时钟卡。

EEPROM 卡可以存储 CPU 程序，也可以将一个 CPU 中的程序传送到另一个 CPU 中。

通过可选的插入式电池盒可延长 RAM 中的数据存储时间。

基本的 S7-200 Micro PLC 包括一个 S7-200 CPU 模块,一台个人计算机(PC),STEP 7-Micro/win32(3.1 版)编程软件,以及一条通讯电缆.为了使用个人计算机(PC),你必须以下一种设备:一条 PC/PPI 电缆；一个通讯处理器(PC)和多点接口 (MPI)电缆；一块 MPI 卡,随 MPI 卡提供一根通讯电缆。

PLC 模块的选择：采用 CPU224 的主机和输出扩展模块 EM222 简要介绍对扩展模块的选取：S7-200PLC 的 I/O 扩展模块有：1. 输入扩展模块 EM221: 共有 3 种产品，即 8 点和 16 点 DC、8 点AC。