机械电气控制及自动化课程设计说明书课题名称：气动机械手控制学生姓名：XXX专业：机械电子工程学号：1403XXXXX指导
教师：XXX学院：机电工程学院2017年9月机械电气控制及自动化课程设计成绩评定表姓名XXX学号1403XXXXX专
业机械电子工程题目XXX评分标准评价要素100---------------90---------------80-----
-------------70----------------60----------------分数选题难度、资料查阅、方案可行
性（20%）选题难度很大、查阅资料能力很强，设计方案合理选题难度较大、查阅资料能力较强，设计方案较为合理选题难度一般、查阅资料能力
一般，设计方案基本合理选题难度较低、查阅资料能力较差，设计方案合理有个别错误选题难度很低、查阅资料能力很差，设计方案存在原则性错误
说明书撰写质量（20%）条理清晰、论述充分、图表规范条理清晰、论述正确、图表较为规范条理基本清晰、论述基本正确、文字通顺、图表基本
规范条理不够清晰、论述不够充分但没有原则性错误、文字基本通顺、图表不够规范条理不清、论述有原则性错误、图表不规范、质量很差学习态度
、专业知识（10%）设计态度认真，具有扎实的专业知识并能熟练运用设计态度较为认真，掌握较好的专业知识并能综合运用设计态度一般，掌握
一定的专业知识并能合理运用设计态度不太认真，掌握一定的专业知识但运用能力较差设计态度及不认真，掌握专业知识较少，不会运用创新能力、
团队合作（10%）具有很强的创新能力及团队协作精神具有良好好的创新能力及团队协作精神创新能力及团队协作精神一般创新能力及团队协作精
神较弱创新能力及团队协作精神很差答辩（40%）思路清晰、论点正确、对设计方案理解深入，问题回答正确思路清晰、论点基本正确、对设计方
案理解较深入，主要问题回答基本正确。思路比较清晰、论点有个别错误，分析不够深入主要问题经启发能回答，但分析较为肤浅。主要问题阐述不
清，对设计内容缺乏了解，概念模糊，问题基本回答不出。评定成绩（合计）成绩等级指导教师签字：年月日任务书课题名称：气动机
械手控制实现功能：某气动机械手用于将A点的工件搬运至B点。机械手的升降及左右行的执行机构均由双线圈电磁阀推动气缸完成，机械手的夹
紧放松由单线圈电磁阀推动气缸完成。控制要求：1.能实现手动、回原点和自动操作（在单周期、连续循环、单步操作中至少实现一种）；2.
上升下降、左右行由相应行程开关控制，夹紧放松通过延时实现；3）设计任务：1.设计气动原理图；2.用PLC实现控制，设计顺序功
能图，绘制PLC端子接线图，编写PLC梯形图程序；3.编写设计说明书。。目录第一章设计任务及认识11.1气动机械手
控制设计任务11.2气动机械手设计课题的认识及现状11.3气动机械手课程设计的主要内容阐述1第二章气动机械手设计总体方案
22.1气动机械手设计总体方案22.2气动机械手设计流程（或详细设计阐述）2第三章气动机械手的气动系统设计（或主电路设计）3
第四章气动机械手硬件及选型设计4第五章气动机械手软件设计5结论6参考文献7第一章设计任务及认识气动机械手设计任务设计
气动原来图设计硬件电路及PLC端口电路图。实现回原点功能自动操作时实现单周期循环功能。自动运行前，机械手处于原点位置，自动运行时，
完成一次搬运任务。下次重新自动运行前，应先回远点位置。气动机械手设计课题的认识及现状工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生
产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，
尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的
积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送
和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自
动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应
用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多
功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机
械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的
智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气
液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。气动机械手控制课程设计的主要内容阐述1.机械手类型
的选择。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。根据本
课程设计的要求可选择通用型机械手。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。格性能范围内，其动作程序是可变的，
通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。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。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位
的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
本课程设计采用通用性气动机械手的方式。2.机械手硬件系统的设计。本课题设计的自动门要求有很高的稳定性来满足日常的需要，故在本设计中
所选用的智能控制器为稳定性良好的西门子系列PLC。通过接近开关的检测和气缸装置的动作来完成自动控制的功能。同时通过气压传动来驱动执
行机构完成相应的动作。气压介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定
性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘
大的环境中进行工作。3.气动机械手软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出自
动门控制的要求，并能更好的考虑到安全性和故障报警等问题，梯形图的编写运用三西子编程软件，此软件支持全部的S7-200系列PLC，并
且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。第二章机械手控制设计总体方案2.1机械手控制设计总体
方案1.设计方案框图2.方案说明考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机
械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.2设计流程（或详细设计阐述）在机械手系统设计与调试过程中最
主要的是先列出设计的主要步骤流程图，如图上图所示。在机械手控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1.深入了解和分析机械手的工艺条
件和控制要求。2.确定I/O设备。根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、
行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。4.分配I/O点，分配PLC
的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5.设计机械手系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序
，这是整个自动门系统设计的核心工作。6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。第三章气动机械手的气动系统设
计（或主电路设计）1.气动原理图设计.2.PLC端子接线图第四章气动机械手硬件及选型设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，
因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。1.可编
程控制器简介在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置
的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料
，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了
十项招标指标，即1.编程方便，现场可修改程序；2.维修方便，采用模块化结构；3.可靠性高于继电器控制装置；4.体积小于继电
器控制装置；5.数据可直接送入管理计算机；6.成本可与继电器控制装置竞争；7.输入可以是交流115V；8.输出为交流11
5V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9.在扩展时，原系统只要很小变更；10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。196
9年，美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易
懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于
食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，
很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制,于1977年开始工业应用。
2.PLC的种类和分类PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：图3-1（一）中央处理
单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查
电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。（二）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存
放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型：(1)RAM(RandomAssessMemory)这是
一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。(2)EPROM(ErasableProgrammableR
eadOnlyMemory)这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存
储器内容)。(3)EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemor
y)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。（三）电源PLC的电源在整个系统中起着十分重
要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+
10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。常见的PLC的类型挺多的，有三菱的FX系列、西门子的
S7系列、台湾的丰炜等等。plc的分类有：(一)小型PLC小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧
凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术
运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。(二)中型PLC中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之
间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。(三)大型PLC一般I/O点数在1024
点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯
网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。3.PLC的选型在PLC系统设计时，首
先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此工程设计选型和估算时，应详细
分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容量、确定
PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。(1)机型的选择①PLC的类型PLC按结构
分为整体型和模块两类型型，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应
用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/0点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PL
C提供多种I/0卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/0点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。②经济的
考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出
比较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。点当数增加到一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对PLC选用、存储器
容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的自动门属于小型控制系
统，结合经济性的考虑因此选用整体型PLC。（2）输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输
入输出点数，在增加10%到20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点对输入输出
点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入13点，输出6点。（3）存储器容量的选择存储器容量是可编程序控制器本身能提
供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器的容量。设计阶段，由于用户程序还未
编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须在程序调试之后才知道。为了设计选型时，能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来
代替，存储器内存容量的估算没有固定的形式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到15倍，加上模拟I/
O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按次数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要
储存的程序，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。（4）控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功
能和处理速度等性能的选择。根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，主要介绍一下几种功能的选择。①控制功能PLC主要用于顺序逻辑控
制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需要的控制功能，提高PLC的
处理速度和节省存储器容量。②编程功能离线编程方式：PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不
对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和
调试不方便。编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编
制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用
。③诊断功能PLC的诊断功能爆孔硬件和软键的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过
软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软键对PLC的CPU玉外部输入输出等部件信息叫唤功能进行诊断是外诊断。PLC的诊
断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。（5）对PLC响应时间的要求对于多数场合，PLC的相应
时间基本上能满足控制要求。响应时间包括输入滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。PLC的工作方式决定了他不能接受频率过高或持续时间小于
扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫描速度高的PLC或快速响应模块和中断输入模块。综合以上因素，本课题的设计日本三菱公司生产的FX1S小型PLC来实现整个系统的控制。4电器控制系统选型器件表名称数量西门子PLCCPU2221急停按钮1接近开关4自复位按钮2气动机械手气动机械手第五章XXX软件设计1.输入输出IO表的统计输入I0.0紧急停止I0.1回原点按钮I0.2自动启动按钮I0.3左行限位开关I0.4右行限位开关I0.5上行限位开关I0.6下行限位开关输出Q0.0左行Q0.1右行Q0.2上行Q0.3下行Q0.4夹取（不带电夹取）2.顺序功能图设计3.梯形图设计见源程序结论本文是在我尊敬的导师悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。在此，我首先向导师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!在课题的研究和开发阶段，得到了机电工程学院老师的大力支持和帮助，在此一并向他们表示衷心的感谢。在日常生活和学习中，机电工程学院的各位老师，以及全体同学给与我大力支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和同学们表示衷心的感谢。参考文献（注：至少5篇）格式如下：[1]作者.文章[文章类型].出版社,出版时间21 |
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