第一篇：基于PLC的广告牌控制设计
单片机课程设计论文
设计题目：基于PLC的广告牌控制设计
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设计要求: 在16X16点阵式LED显示“五角星”、“圆形”和心形图，并通过按键来选择要显示的图形
摘要：近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入，同时带动传统控制及LED显示技术日新月异的更新。大型LED点阵广告牌与传统的广告宣传紧密结合成为新的媒体宣传工具，广泛应用于展览中心、金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、街道、高速公路等公共场所的信息显示和广告宜传。本文提出了一种实现单片机控制LED点阵显示屏的新方案广告牌是用于广告匾，楼宇装饰和户外装潢的灯具，近来随着国家经济的迅速发展，人民物质文化生活水平的不断提高，对于装饰的美化美观的要求也越来越高，广告牌的越来越多的出现在个人们的视野中。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时自动控制系统日新月益更新。
本文结合国内外霓虹灯控制技术的发展状况设计了一种采用美国ATMEL公司生产的AVR系列单片机中的ATmega8作控制芯片的霓虹灯控制器．通过ATmega8芯片控制驱动电路，在由驱动电路驱动继电器，而继电器则作为霓虹灯的功率控制。从而实现在16X16点阵式LED显示“五角星”、“圆形”和心形图，并通过按键来选择要显示的图形。
关键字：控制器；继电器；ATmega8 广告牌设计
目录
摘要............................................................................................................错误！未定义书签。目录..................................................................................................................................................1 一
系统方案论证与比较...............................................................................................................4
方案一：NE555与CD4541作为主控制器.........................................................................4 方案二：采用LED点阵与ATmega8作为主驱动器..........................................................5 二
元器件简介...............................................................................................................................7
1.主控芯片ATmega8简介....................................................................................................7
（1）产品特性................................................................................................................7（2）外设特点................................................................................................................7（3）特殊的处理器特点.................................................................................................8（4）I/O 和封装.............................................................................................................8（5）工作电压................................................................................................................8（6）速度等级................................................................................................................8（7）引脚说明..............................................................................................................10（8）ATmega8状态寄存器........................................................................................11（9）通用寄存器..........................................................................................................12（10）堆栈指针............................................................................................................12（11）复位与中断........................................................................................................13 2.点阵显示器.......................................................................................................................14（1）16*16点阵原理图...............................................................................................14（2）16*16点阵实物图...............................................................................................15（3）16*16点阵扫描方式...........................................................................................15（4）16*16点阵应用举例...........................................................................................15 3.驱动芯片4-16译码器CC4514........................................................................................17（1）推荐工作条件......................................................................................................17（2）工作温度范围......................................................................................................17（3）极限值..................................................................................................................17 三
广告控制器系统设计.............................................................................................................19
1.系统硬件设计.....................................................................................................................19（1）主控制器ATmega8............................................................................................19（2）电路原理图..........................................................................................................19 2.系统软件设计.....................................................................................................................21（1）程序流程图..........................................................................................................21（2）程序清单..............................................................................................................21
一
系统方案论证与比较
方案一：NE555与CD4541作为主控制器
广告灯控制器由NE555组成的光控及抗干扰电路、CD4541定时电路、继电器控制、电源电路等部分组成。电原理图如图1所示。
NE555时基电路接成施密特触发器，对光敏电阻RC接收到的信号进行整形和功率放大以后，驱动后续电路。当白天有光照时，其第③脚输出低电平，夜晚无光照时输出高电平。
CD4541是一块具有振荡计数、定时功能的IC，在电路中作为定时控制，各脚功能如表1所示。CD4541工作时，第①脚接振荡电阻，第②脚接振荡电容，第③脚接保护电阻，第⑧脚为输出脚，第⑨脚可选择第⑧脚的输出状态，第⑩脚接低电平为单定时模式，接高电平为循环定时模式，第12、13脚可设定时间或设定输出频率，CD4541分频或计数次数如表2所示。220V交流市电经R9、C6
阻容降压．D2～D5整流，C5滤波，WD2稳压，给继电器提供24V的吸合电压。此电压通过R8和WD1稳压，C4滤波，给IC1和IC2提供9.1V的工作电压。
白天，光敏电阻RG阻值很小，通过RG和WR1分压，NE555第⑥脚电压大于2/3Vcc，使第③脚输出为低电平，三极管BG1截止。CD4541第⑥脚复位端为高电平，其内部计数器清零复位，第⑧脚输出端为低电平，BG2截止，继电器常开触电断开，其受控电路不工作。
当夜幕降临的时候，RG阻值逐渐增大，NE555第②脚电位逐渐降低，当小于1／3Vcc时，NE555第③脚输出端信号翻转为高电平。BG1基极电位升高而导通，给CD4541第⑥脚提供一个由高电平变为低电平的脉冲负跳变沿，使内部电路开始计数，输出端第⑧脚输出高电平。BG2导通，继电器K1得电，常开触点闭合，受控电路工作。WR2和C3为CD4541外接振荡电阻和振荡电容，当经t=32768×2.3RC≈24871秒时间后，输出端第⑧脚变为低电平。VT2截止，K1的常开触点失电而断开，受控电路停止工作。通过微调WR2，可改变定时时长。此电路对于外界干扰引起的白天瞬间变暗不会导致继电器误动作，因为NE555第②、⑥脚所接R1和C1组成延时抗干扰电路，当RG阻值瞬间增大时，由于电容C1两端电压不能突变，从而保持第⑥脚电位基本不变，第③脚输出仍为低电平。但当RG阻值长时间较大时，C1充电完成后，NE555第⑥脚电压降低，第③脚输出高电平，从而导致继电器动作。
方案二：采用LED点阵与ATmega8作为主驱动器
数控广告灯扫描器有以下主要特点：
（1）分体联控结构：解决了大型广告灯工程既要求扫描器分体就近安装又要求扫描器整体调控的矛盾。
（2）强抗干扰设计：通过系统软件的抗干扰处理，避免了广告灯乱闪及抖动的现象，使版面极为干净。
（3）自动同步：当遇强干扰造成扫描器不能同步工作时，系统软件将在1分钟内自动修复。
（4）调试开关：对于大型广告灯工程的调试，这个功能极为有用。
（5）接插件结构：整个线路全部采用接插件绘声结构，拆卸简单，维修方便。
图3 ATmega8与点阵显示广告控制系统
综上所述，我们选择方案二。
二
元器件简介
1.主控芯片ATmega8简介（1）产品特性
● 高性能、低功耗的 8 位AVR® 微处理器 ● 先进的RISC 结构
● 130 条指令 – 大多数指令执行时间为单个时钟周期 ● 32个8 位通用工作寄存器 ● 全静态工作
● 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS ● 只需两个时钟周期的硬件乘法器 ● 非易失性程序和数据存储器 ● 8K 字节的系统内可编程Flash ● 擦写寿命: 10,000 次
● 具有独立锁定位的可选Boot 代码区 ● 通过片上Boot 程序实现系统内编程 ● 真正的同时读写操作 ● 512 字节的EEPROM ● 擦写寿命: 100,000 次 ● 1K字节的片内SRAM ● 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
（2）外设特点
● 两个具有独立预分频器8 位定时器/ 计数器, 其中之一有比较功能 ● 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 ● 具有独立振荡器的实时计数器RTC ● 三通道PWM
● TQFP与MLF 封装的8 路ADC ● 路10 位ADC ● 8 路10 位ADC ● 面向字节的两线接口 ● 两个可编程的串行USART ● 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 ● 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 ● 片内模拟比较器
（3）特殊的处理器特点
● 上电复位以及可编程的掉电检测 ● 片内经过标定的RC 振荡器 ● 片内/ 片外中断源
● 5种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式及Standby 模式。
（4）I/O 和封装
● 23个可编程的I/O 口
● 28引脚PDIP 封装,32 引脚TQFP 封装,32 引脚MLF 封装
（5）工作电压
● 2.75.5V(ATmega8)（6）速度等级
● 016 MHz(ATmega8)● 4 Mhz 时功耗, 3V, 25°C
● 工作模式: 3.6 mA ● 空闲模式: 1.0 mA ● 掉电模式: 0.5 μA ● 具有8KB 系统内可编程 Flash 的 ● 8 位 微控制器
ATmega8引脚图
ATmega8内部结构简图
（7）引脚说明
VCC 数字电路的电源。GND 地。
端口B(PB7..PB0)XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。通过时钟选择熔丝位的设置，PB6 可作为反向振荡放大器或时钟操作电路的输入端。通过时钟选择熔丝位的设置PB7 可作为反向振荡放大器的输出端。若将片内标定RC 振荡器作为芯片时钟源，且ASSR 寄存器的AS2 位设置，PB7..6 作为异步 T/C2 的TOSC2..1 输入端。端口B 的其他功能见P55“ 端口B 的第二功能” 及P 22“ 系统时钟及时钟选项”。
端口C(PC5..PC0)端口C 为7 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。
PC6/RESET 若RSTDISBL 熔丝位编程，PC6 作为I/O 引脚使用。注意PC6 的电气特性与端口C 的其他引脚不同若RSTDISBL 熔丝位未编程，PC6 作为复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P 35Table 15。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。
端口C 的其他功能见后。
端口D(PD7..PD0)端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 的其他功能见后。
RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见 P35Table 15。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。
AVCC AVCC 是A/D转换器、端口C(3..0)及ADC(7..6)的电源。不使用ADC
时，该引脚应直接与VCC 连接。使用ADC 时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。注意，端口C(5..4)为数字电源，VCC。
AREF A/D 的模拟基准输入引脚。
ADC7..6(TQFP 与MLF 封装)TQFP与MLF封装的ADC7..6作为A/D转换器的模拟输入。为模拟电源 且作为10位ADC通 道。
（8）ATmega8状态寄存器
状态寄存器包含了最近执行的算术指令的结果信息。这些信息可以用来改变程序流程以实现条件操作。如指令集所述，所有ALU 运算都将影响状态寄存器的内容。这样，在许多情况下就不需要专门的比较指令了，从而使系统运行更快速，代码效率更高。在进入中断服务程序时状态寄存器不会自动保存，中断返回时也不会自动恢复。这些工作需要软件来处理。AVR 中断寄存器 SREG 定义如下：
• Bit 7 – I: 全局中断使能I 置位时使能全局中断。单独的中断使能由其他独立的控制寄存器控制。如果I 清零，则不论单独中断标志置位与否，都不会产生中断。任意一个中断发生后I 清零，而执行RETI指令后I 恢复置位以使能中断。I 也可以通过SEI 和CLI 指令来置位和清零。
• Bit 6 – T: 位拷贝存储位拷贝指令BLD 和BST 利用T 作为目的或源地址。BST 把寄存器的某一位拷贝到T，而BLD 把T 拷贝到寄存器的某一位。
• Bit 5 – H: 半进位标志半进位标志H 表示算术操作发生了半进位。此标志对于BCD 运算非常有用。详见指令集的说明。
• Bit 4 – S: 符号位, S = N ⊕ VS 为负数标志N 与2 的补码溢出标志V 的异或。详见指令集的说明。
• Bit 3 – V:2 的补码溢出标志支持2 的补码运算。详见指令集的说明。• Bit 2 – N: 负数标志表明算术或逻辑操作结果为负。详见指令集的说明。
• Bit 1 – Z: 零标志表明算术或逻辑操作结果为零。详见指令集的说明。• Bit 0 – C: 进位标志
（9）通用寄存器
文件寄存器文件针对AVR 增强型 RISC 指令集做了优化。为了获得需要的性能和灵活性，寄存器文件支持以下的输入/ 输出方案： • 输出一个 8 位操作数，输入一个 8 位结果。• 输出两个 8 位位操作数，输入一个 8 位结果。• 输出两个 8 位位操作数，输入一个 16 位结果。• 输出一个 16 位位操作数，输入一个 16 位结果。
CPU 32 个通用工作寄存器的结构
（10）堆栈指针
堆栈指针主要用来保存临时数据、局部变量和中断/ 子程序的返回地址。堆栈指针总是指向堆栈的顶部。要注意AVR 的堆栈是向下生长的，即新数据推入堆栈时，堆栈指针的数值将减小。堆栈指针指向数据SRAM 堆栈区。在此聚集了子程序堆栈和中断堆栈。调用子序和使能中断之前必须定义堆栈空间，且堆栈指针必须指向高于0x60 的地址空间。使用PUSH指令将数据推入堆栈时指针减一；而子程序或中断返回地址推入堆栈时指针将减二。使用POP 指令将数据弹出堆栈
时，堆栈指针加一；而用RET 或RETI 指令从子程序或中断返回时堆栈指针加二。AVR的堆栈指针由I/O空间中的两个8位寄存器实现。实际使用的位数与具体器件有关。请注意某些AVR 器件的数据区太小，用SPL 就足够了。此时将不给出SPH 寄存器。
指令执行时序这一节介绍指令执行过程中的访问时序。AVR CPU 由系统时钟clkCPU 驱动。此时钟直接来自选定的时钟源。芯片内部不对此时钟进行分频。Figure 5 说明了由Harvard 结构决定的并行取指和指令执行，以及可以进行快速访问的寄存器文件的概念。这是一个基本的流水线概念，性能高达1 MIPS/MHz，具有优良的性价比、功能/ 时钟比、功能/ 功耗比。
（11）复位与中断
处理AVR有不同的中断源。每个中断和复位在程序空间都有独立的中断向量。所有的中断事件都有自己的使能位。当使能位置位，且状态寄存器的全局中断使能位I 也置位时，中断可以发生。根据程序计数器PC 的不同，在引导锁定位BLB02 或BLB12 被编程的情况下，中断可能被自动禁止。这个特性提高了软件的安全性。详见 P 209“ 存储器编程” 的描述。程序存储区的最低地址缺省为复位向量和中断向量。完整的向量列表请参见P 43“ 中断”列表也决定了不同中断的优先
级。向量所在的地址越低，优先级越高。RESET 具有最高的优先级，第二个为INT0 – 外部中断请求0。通过置位通用中断控制寄存器(GICR)的IVSEL，中断向量可以移至引导Flash的起始处，参见P 43“中断”。编程熔丝位BOOTRST也可以将复位向量移至引导Flash 的起始处。具体参见P 196“ 支持引导装入程序 －在写的同时可以读(RWW, Read-While-Write)的自我编程能力”。任一中断发生时全局中断使能位I 被清零，从而禁止了所有其他的中断。用户软件可以在中断程序里置位I 来实现中断嵌套。此时所有的中断都可以中断当前的中断服务程序。执行RETI 指令后I 自动置位。从根本上说有两种类型的中断。第一种由事件触发并置位中断标志。对于这些中断，程序计数器跳转到实际的中断向量以执行中断处理程序，同时硬件将清除相应的中断标志。中断标志也可以通过对其写”1” 的方式来清除。当中断发生后，如果相应的中断使能位为“0”，则中断标志位置位，并一直保持到中断执行，或者被软件清除。类似的，如果全局中断标志被清零，则所有已发生的中断都不会被执行，直到I 置位。然后挂起的各个中断按中断优先级依次执行。
2.点阵显示器（1）16*16点阵原理图
（2）16*16点阵实物图
图为8×8点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图（2）所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴
（3）16*16点阵扫描方式
LED一般采用扫描式显示，实际运用分为三种方式（1）点扫描（2）行列扫描
16×64=1024Hz，周期小于1ms即可。若使用第二和第三种方式，则频率必须大于16×8=128Hz，周期小于7.8ms即可符合视觉暂留要求。此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。
（4）16*16点阵应用举例
点阵内部结构及外形如下，8X8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置
0电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点点亮，则9脚接高电平13脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则第9脚要接高电平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）这些引脚接低电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列点亮，则第13脚接低电平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高电平，那么第一列就会点亮。
一般我们使用点阵显示汉字是用的16*16的点阵宋体字库，所谓16*16，是每一个汉字在纵、横各16点的区域内显示的。也就是说得用四个8*8点阵组合成一个16*16的点阵。如下图所示，要显示“你”则相应的点就要点亮，由于我们的点阵在列线上是低电平有效，而在行线上是高电平有效，所以要显示“你”字的话，它的位代码信息要取反，即所有列（13~16脚）送(***1，0xF7，0x7F)，而第一行（9脚）送1信号，然后第一行送0。再送第二行要显示的数据（13~16脚）送(***1，0xF7，0x7F)，而第二行（14脚）送1信号。依此类推，只要每行数据显示时间间隔够短，利用人眼的视觉暂停作用，这样送16次数据扫描完16行后就会看到一个“你”字；第二种送数据的方法是字模信号送到行线上再扫描列线也是同样的道理。同样以“你”字来说明，16行（9、14、8、12、1、7、2、5）上送（***0，0x00，0x00）而第一列（13脚）送、“0”。同理扫描第二列。当行线上送了16次数据而列线扫描了16次后一个“你”字也就显示出来了。
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因此，形成的列代码为 00H，00H，3EH，41H，41H，3EH，00H，00H；只要把这些代码分别依次送到相应的列线上面，即可实现“0”的数字显示。
3.驱动芯片4-16译码器CC4514（1）推荐工作条件
电源电压范围„„„„„ „.3V～15V 输入电压范围„„„„„„..0V～VDD（2）工作温度范围
M 类„„„„„„.－55℃～125℃ E 类„„„„„ „.－40℃～85℃
（3）极限值
电源电压„...－0.5V～18V 输入电压„ „－0.5V~VDD+0.5V 输入电流„ „„„.±10mA 储存稳定„„„„„.－65℃～150℃
CD4514引脚图
三
广告控制器系统设计
1.系统硬件设计
（1）主控制器ATmega8 本控制系统采用存储容量大的AVR单片机ATmega8作为主控制器，直接可以将容量较大的系统字库存储在ATmega8内部存储器内，节约了资源，也使整个系统变得简洁。
（2）电路原理图
扫描电路采用CD4514，即4-16的译码器来进行行列扫描，用单片机控制其选通端INH来控制送行列字库码，控制扫描，并在输出端加一个非门，来提高其驱动能力，以满足点阵发光的需求。
2.系统软件设计（1）程序流程图
（2）程CNTA EQU 30H COUNT EQU 31H
ORG 00H
LJMP START
ORG 0BH
LJMP T0X
ORG 30H START: MOV CNTA,#00H
MOV COUNT,#00H
MOV TMOD,#01H
MOV TH0,#(65536-4000)/ 256
MOV TL0,#(65536-4000)MOD 256
SETB TR0
SETB ET0
SETB EA WT: JB P2.0,WT
MOV R6,#5
MOV R7,#248 D1: DJNZ R7,$
DJNZ R6,D1
JB P2.0,WT
INC COUNT
MOV A,COUNT
CJNE A,#03H,NEXT
MOV COUNT,#00H NEXT: JNB P2.0,$
SJMP WT
T0X: NOP
MOV TH0,#(65536-4000)/ 256
MOV TL0,#(65536-4000)MOD 256
MOV DPTR,#TAB
MOV A,CNTA
MOVC A,@A+DPTR
MOV P3,A
MOV DPTR,#GRAPH
MOV A,COUNT
MOV B,#8
MUL AB
ADD A,CNTA
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
INC CNTA
MOV A,CNTA
CJNE A,#8,NEX
MOV CNTA,#00H NEX:RETI
TAB: DB 0FEH,0FDH,0FBH,0F7H,0EFH,0DFH,0BFH,07FH GRAPH: DB 12H,14H,3CH,48H,3CH,14H,12H,00H
DB 00H,00H,38H,44H,44H,44H,38H,00H
DB 30H,48H,44H,22H,44H,48H,30H,00H
END（2）程序清单
(1)． “★”在16X16LED点阵上显示图如下图所示 2 3
7 8
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12H，14H，3CH，48H，3CH，14H，12H，00H(2)． “●”在16X16LED点阵上显示图如下图所示 1 2 3 5 7 8
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00H，00H，38H，44H，44H，44H，38H，00H(3)． 心形图在16X16LED点阵上显示图如下图所示 1 2 3 5 7 8
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30H，48H，44H，22H，44H，48H，30H，00H
四
总结：
经过这段时间的努力学习和实践，在各位老师和同学们的帮助下，在我的不断努力下，我的课程设计终于完成了。从设计中我学到许多知识，也理解到了不管做任何事情都要细心谨慎的道理。知识的积累是一点一滴的，在设计中我也感受颇深。在此我真的感到团结力量大，在设计过程中在兄弟组严格督促和帮助下
顺利的完成了此次任务，并且及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，在整个毕业设计过程中都给我鼓励和分析讲解，并主动为我提供各种相关技术资料，在指导老师的帮助和指导下我顺利完成了本次毕业设计，也让我在这次课程设计中受益匪浅，最后感谢评阅和阅读本设计论文的老师为此付出了辛勤劳动，我们会把这种认真做事和一丝不苟的精神继续发扬下去的！
五
参考文献：
[1]李建忠编著.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2002 [2]李群芳，肖看编著.单片机原理、接口及应用.北京：清华大学出版社，2005 [3]于海生编著.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，2008 [4]戴梅萼，史嘉权编著.微型计算机技术及应用(第3版).北京：清华大学出版社，2008 [5]江晓安，董秀峰编著.数字电子技术(第二版).西安：西安电子科技大学出版社，2005
第二篇：PLC控制机械手设计毕业论文
XXX学校
XX办学点毕业论文
课题名称：PLC控制机械手设计
专 业： 班 级： 学 籍 号： 学生姓名： 导师姓名： 提交日期：
PLC控制机械手设计
（姓名）
摘 要：机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。在我国，工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和应用，并且很好的效果。本课题主要研究的问题是“近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动式”。设计包括两大方面，其中之一是自动行走部分，另一部分为手臂的运转。采用同一驱动能源--气泵。行走部分可以采用气压马达带动两轮转动。气压泵固定在某处，用一根软管将泵与马达相连，马达安装在行走装置中。运动手臂的直线运动用气缸来实现，旋转运动用气压马达来实现。行走的时候手臂不动，手臂运动的时候，行走部分停止运动。关键词：机械手，气压驱动，自动移动，气泵
随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。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中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
一、机械手组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。
（一）执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1、手部：即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。
2、手腕：是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。
3、手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。
4、立柱：是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。
5、行走机构：机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。
6、机座：它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。
（二）驱动系统
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。
1、液压传动：是以油液的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然有的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。
2、气压传动：是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是介质来源极方便、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，工作速度的稳定性差，而且气源压力较低，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动：即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动。其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工作主机的上、下料。
4、电力传动：即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。
（三）控制系统
有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给与机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（四）位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的进度达到设定位置。
二、设计内容
这里介绍我将要做的近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动。
（一）气源系统
压缩空气是保证气动系统正常工作的动力源，空气压缩机是将动力机供给的机械能转换成气体压力能的一种能量转换装置。
（二）气动执行机构
气动执行机构由气缸和气动马达。气缸是利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它可以输出力，驱动工作部分作直线往复运动或往复摆动。气缸可分为：单向作用式气缸和双作用式气缸。气动马达是把压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置，其作用同于液压传动的油马达。它输出力矩，驱动机构作回转运动。
（三）空气控制阀
1、压力控制阀分为：调压阀、安全阀和顺序阀等。
2、流量控制阀是用来调节和控制压缩空气的流量、流速以改变执行机构的工作速度。流量控制阀主要有节流阀、单向截流阀和排气节流阀等。
3、方向控制阀是用来控制气流的方向、气路的通断，从而使执行机构的动作发生变化的气动原件。方向控制阀在整个气动元件中数量占有相当大的比例，并在气动系统中起着神经中枢的作用。
（四）气动基本回路
1、方向控制回路主要有：单作用气缸中间停止回路，双作用气缸换向回路，双作用气缸的活塞可在任意位置停止的回路，延时控制回路。
2、速度控制回路主要有：单作用气缸的速度控制回路，双作用气缸单向速度控制回路，双作用气缸双向速度控制回路，双作用气缸速回运动控制回路，双缸同步动作的速度控制回路，缓冲回路。
（五）其他部分
行走机构有：车轮式行走机构，履带式行走机构，步行式行走机构。
三、机械手的发展趋势
机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制订的程序完成操作，但普通不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，将引起零件甚至机械手本身的损坏。
为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，如位置发生稍些偏差时即能更正，并自行检测。重点是研究视觉功能，将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。
参考文献
[1]曹承志.电机、拖动与控制学.第3版.北京：机械工业出版社,2000 [2]王庭树.机器人运动学及动力学.第2版.西安：西安电子科技大学出版社，1990.12 [3]孟繁华.机器人应用技术.第1版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.6 [4]马香峰.机器人机构学.第1版.北京：机械工业出版社,1991.9 [5]赵锡芳.机器人动力学.第1版.上海：上海交通大学出版社，1992.12 [6]高松海.遥控机器人.第1版.北京：原子能出版社，1981 [7]孙耀明.微型机算计在机器人技术中的作用.第1版.北京：科学技术文献出版社，1987 [8]路甬祥.液压气动技术手册.第2版.北京：机械工业出版社,2002
第三篇：PLC控制技术
关于PLC控制技术一体化教学方法的探索
摘要：通过对PLC控制技术一体化教学方法的探索，以学生在学习过程中的具体作品为例，阐述了在职业中学PLC控制技术课程教学中运用理论实习操作一体化教学方法的可行性。
关键词：PLC控制技术；一体化教学方法；探索
现行的职业中学课堂教学，大多数专业还是把理论教学和实习操作分开进行，而这种做法对于机电专业来讲，专业教师不好教，学生无心学。为扭转这一被动局面，我在PLC控制技术教学过程中运用了理论与实习操作一体化的教学方法，收到了较好的教学效果。
传统职中教学方法存在的主要问题及原因
其一为“填鸭式”教学。职中学生文化知识基础普遍较差，学习缺乏想象力，要掌握PLC控制技术所遇到的困难是可想而知的。“填鸭式”教学从头讲到尾，照搬书本；即使使用多媒体教学，也只是把原先写在黑板上的内容搬上了屏幕，教学手段虽有变化，但教学内容和效果并没有本质变化。
其二为理论与实习操作分离，不重视专业训练。上理论课时，学生对教师讲授的知识只是死记硬背，学生普遍感到似懂非懂、难学易忘；对于专业实习操作课，学生虽感兴趣，但专业技术理论知识已遗忘甚多，往往只限于模仿性的操作训练，而无法触类旁通，自然也就无法形成系统的操作技能。由于理论和实习操作相脱节，学生对机电专业的学习兴趣得不到激发，学习积极性难以调动，学习专业技术的方法和能力很难得到有效培养。
其三为理论课教学安排时间跨度大，学生对理论的认识是断续、分散的，整体认识不清楚、理解不透彻，学习难度加大。
其四为专业技术理论教学和实习操作教学分段实施，理论教师与实习操作指导教师各负其责，造成了相互脱节，在教学目标、教学内容和教学方法等方面难以形成有机结合。教学过程中往往出现“各自为战”和“相互推诿”的现象，专业教材之间的内在联系得不到协调，教学内容没办法合理统筹。以专业理论为中心的传统教学模式，容易产生偏重理论教学而轻实习操作的不良倾向，教师很难完成机电专业PLC控制技术编程的教学任务，也不能满足学生学习的需要。
理论与实习操作一体化教学的具体做法
针对职业中学传统教学模式存在的实际问题，我在机电专业PLC控制技术教学过程中进行了“理论与实习操作一体化”教学探索。具体做法是：
第一，以国家中等职业教育规划教材为蓝本，在机电专业教学大纲的指导下，将机电专业的PLC控制技术教材根据学校具体的实习实训仪器设备情况，划分为电工基础，电力拖动引入，可编程控制器的认识，“启、停、反”的可编程控制的认识训练，PLC控制技术的逻辑编程技术等五个部分，把电工基础知识融入到电力拖动技术中，电力拖动技术为可编程控制服务，遵循这样的教学思路来安排教学内容。让学生多次训练“启、停、反”的直接控制，甚至教师可以有意识让学生接错一条控制线，以引起学生的注意，最后让学生自己来修改，通过修改过程引入PLC控制技术的可编程控制，让学生进行对比，再多次训练“启、停、反”的逻辑控制程序，使学生在操作过程中认识可编程控制的优点，从而实现由直接控制向逻辑控制的过渡。学生的主要学习场所就在实训室，各阶段的教学内容是实训穿插相关理论，讲完相关理论后，学生可以马上根据教师所讲进行“模拟”训练，以达到强化理论的效果。另外，在教学过程中，大量运用实物、教具、多媒体等手段，达到理论与实习操作相结合的一体化教学，从而实现理论指导实践，实践检验理论的目的。
第二，针对职中机电专业学生知识基础较差的特点，在教学过程中，尽量利用实际简单电路进行直观演示，将电机用实物模型展现在学生面前，以激发学生的学习兴趣，缩短认识过程。同时，在教师指导下，学生动手按电力拖动的要求接线，实现对电动机的直接控制，将书本理论与实践相结合，促进理解，加深记忆，学习效率得到明显提高。
第三，在理论实习操作一体化教学中，不要求学生掌握繁琐的理论，学生通过电力拖动的实习操作很快就能建立一个清晰、直观的概念，大大提高了教学效率。教师讲授时可从电力拖动知识需要引入课题，明确电动机启动的工作条件，使学生很快理解电动机的正转与反转，还可以用多媒体和实物进行演示，在学生进一步理解控制和被控制之间的关系后，学生在教师指导下立刻进行动手操作，从而加深认识。这样，相对所需课时缩短了，可安排学生进行实习操作练习，进一步加强学生的动手能力培养。
第四，职中机电专业PLC控制技术教学运用理论实习操作一体化教学方法，对教师的教学水平提出了更高、更新的要求。它要求专业教师除了必须具备相关专业系统的理论知识外，还必须具备高级电工维修技能以上的操作水平，才能在授课过程中进行规范、准确的操作演示和指导学生进行实习操作。
PLC控制技术教学实行理论实习操作一体化的案例
教学单元为五人抢答器的程序编写（共8学时，每次课2学时）。
（一）教学目标
知识目标：掌握PLC控制技术的基本程序编写方法（先用梯形图，然后用指令表）。能力目标：初步具有能实现可编程控制的逻辑编程能力。
（二）教学流程
提出要解决的问题以一次知识抢答活动为例，请你用PLC可编程控制器编写一个五人抢答器的程序，并调试模拟运行。要求：在主持人宣布开始以后才可以抢答，20秒以后，还没有任何一组抢答，则自动停止本题的抢答；任何一个人抢到以后，其他选手不能再抢（有锁定功能）；一次抢答完成以后，主持人要复位，再准备进行下一次抢答。任务给出以后，教师引导学生。不能理解题意、甚至无法动手操作的学生，可以听教师讲解、指导；能理解题意、有一定思路的学生可以动手完成。这样，每位学生都有事可做，教学气氛活跃了很多。
自主探究学生完成教师给出的任务后交指导教师点评，教师指出学生编写的程序哪些地方需要修改，为什么要修改等等。要求学生从实际出发，思考符合实际工程要求的、逻辑思路清晰的程序。
利用实物演示编程效果把学生所编写的程序通过接口电路引到学生自己焊接的抢答器模拟电路板上，由5位学生进行现场模拟抢答，看看还有哪些没有考虑到，还要做哪些相应的修改。例如，有学生提到：第一个人抢到以后应有声音，要增加扬声器的控制输出端；抢到的组号还应有闪烁等。这样，学生的学习兴趣和积极性被激发出来，相关的理论知识也得到了补充。学生不仅学会了PLC控制技术的逻辑编程，还自然学习了电子技术的相关知识，使理论与操作达到了完美结合。
讨论教师和几位学生组成“专家组”，对每一位学生的作业进行点评，然后学生共同讨论，对每一题评出“编程之星”，学期末可根据“编程之星”的获得次数评定平时成绩。
作业要求学生把抢答器程序编写的逻辑思维“移植”到对交通灯、自动售货机等的控制上，这样更加有效地激发了学生的学习积极性，在自习课、活动课时间，有的学生也自觉到实训室进行编程练习，真正实现了“要我学”到“我要学”的转变。
（三）教学效果
通过理论与实习操作一体化教学模式的具体运用，原来在职中没法完成的功能指令部分的教学也收到了很好的教学效果。当学生看到简单的逻辑编程实现了复杂的功能以后，对功能指令产生了强烈的学习兴趣，对他们继续学习专业课起到了很好的激励作用。
理论实习操作一体化教学的启示和体会
几年来，理论实习操作一体化教学的探索在实践中取得了良好的效果，学生看得见、摸得着，生动而不呆板，既容易理解，又记得牢固。在实践中我有如下几点体会：（1）理论实习操作一体化教学方法可以使技能操作训练与相关专业理论紧密衔接，实现了理论与实践密切结合、理性认识与感性认识同步提高。（2）职中机电专业理论教学和操作训练的有机结合，使学生有较多机会将专业理论知识与实际反复对照理解。由于这种教学方法运用了感知记忆、理解记忆、运动记忆等记忆方法，所以学生容易在大脑中较快地形成总体结构的全方位表象，技能形成较快。（3）理论学习与技能训练反复交叉进行，内容不断更新，学生有新鲜感。理论指导下的技能训练，使学生感觉学到了实在的本领，自信心增强，技能形成进程加快。（4）理论实习操作一体化教学方法增加了师生的直接接触，教师能比较直观地了解学生掌握专业知识和操作能力的程度，有利于切合实际地对学生加以指导，因材施教，满足不同层次学生的需求。
参考文献：
[1]郑凤翼，等.图解PLC控制系统梯形图和语句表[M].北京：人民邮电出版社，2006.[2]田明，等.触摸式可编程终端[M].北京：机械工业出版社，2006.[3]高勤.电器及PLC控制技术[M].北京：高等教育出版社，2002.
第四篇：PLC控制全自动洗衣机设计
杭州职业技术学院
课程设计说明书
题
目
机电一体化课程设计
――PLC控制全自动洗衣机设计
系
别
机电工程系
专
业
机电一体化
班
级
机电0511
姓
名
官智俊
指导教师
吴晓苏
二○○ 八 年 一
月 十
日
设计说明书
课程设计任务书
一、设计任务：
PLC控制全自动洗衣机设计
二、设计要求：
１．水位控制：高水位
２５Ｓ
中水位进水 １５Ｓ
低水位进水 １０Ｓ ２.程序选择：全程序
简易程序
（１）全程序过程：（循环３次）
进水－洗涤（正转３Ｓ，反转２Ｓ，停１Ｓ，２００次）－排水（２０Ｓ）－脱水（１０Ｓ）－停止（２）简易程序：（循环２次）
进水－洗涤（正转３Ｓ，反转２Ｓ，停１Ｓ，２００次）－排水（２０Ｓ）－脱水（１０Ｓ）－停止
三、设计期限
2008
年月 日至
2008 年 1 月 20 日
杭州职业技术学院机电工程系
设计说明书
目录
一．ＰＬＣ控制全自动洗衣机的研究意义…………………………………………………………………4
二．ＰＬＣ机型……………………………………………………………………………………………..4
三．程序设计要求…………………………………………………………………………………………..5
四.设计流程图 ……………………………………………………………………………………………6
五.课程设计小结…………………………………………………………………………………………..18
杭州职业技术学院机电工程系
设计说明书
一．ＰＬＣ控制全自动洗衣机的研究意义
ＰＬＣ控制全自动洗衣机的编程语言容易掌握，是电控人员熟悉的梯形语言，使用术语依然是＂继电器＂一类术语，大部分与继电器触头的连接相对应，使电控人员一目了然．
ＰＬＣ控制使用简单，他的Ｉ／Ｏ已经做好，输入输出信号可直接连接，非常方便，而输出口具有一定驱动能力，其输出触头容易达２２０Ｖ．２Ａ．
ＰＬＣ是专门应用手工业现场自动控制装置，再系统软硬件上采用抗干扰措施．
当工作程序需要改变时，只需改变ＰＬＣ的内部，惊醒重新编程而无需对外围进行重新改动． 从这些方面突出了使用ＰＬＣ控制全自动洗衣机的优越性．
二．ＰＬＣ机型
日本三凌公司的Ｆ系列ＰＬＣ
三．程序设计要求
１．水位控制：高水位
２５Ｓ
中水位进水 １５Ｓ
低水位进水 １０Ｓ ２.程序选择：全程序
简易程序（１）全程序过程：（循环３次）
进水－洗涤（正转３Ｓ，反转２Ｓ，停１Ｓ，２００次）－排水（２０Ｓ）－脱水（１０Ｓ）－停止（２）简易程序：（循环２次）
进水－洗涤（正转３Ｓ，反转２Ｓ，停１Ｓ，２００次）－排水（２０Ｓ）－脱水（１０Ｓ）－停止
注意：要求画出控制流程图 四.Ｉ／Ｏ分配图
启动
Ｘ０
Ｙ０
进水
水位（高）Ｘ１
Ｙ１
排水
水位（中）Ｘ２
Ｙ２
电机正转
水位（低）Ｘ３
Ｙ３
电机反转
全程序
Ｘ４
Ｙ４
脱水
简易程序 Ｘ５
ＣＯＭ
ＣＯＭ
五.软硬件系统设计
１.硬件组织
２.元件组成
（１）梯形图及其分析
（２）状态转移图及其分析
（３）指令表
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设计要求：
1、按下启动按扭及水位选择开关
2、开始进水直到高（中、低）水位，关水3、2秒后开始洗涤
4、洗涤时，正转30秒，停2秒，然后反转30秒，停2秒
5、如此循环5次，总共320秒后开始排水，排空后脱水30秒
6、开始清洗，重复（2）～（5），清洗两遍
7、清洗完成，报警3秒并自动停机
8、若按下停车按扭，可手动排水和手动脱水
输入点： 输出点：
启动 10001 启动洗衣机 00001 停止 10002 进水阀 00002 高水位 10003 正转 00003 中水位 10004 反转 00004 低水位 10005 排水 00005 排空检测 10006 脱水 00006 高水位检测 10007 报警 00007 中水位检测 10008 低水位检测 10009 手动排水 10010 手动脱水 10011
全自动洗衣机的I/O分配并设计PLC外围硬件线路：
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设计流程图：
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全自动洗衣机的梯形图：（由于版面限制，我只能把这个梯形图分解成几块，标志图X）
图（1）
图（2）
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图（3）
杭州职业技术学院机电工程系8
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图（4）
杭州职业技术学院机电工程系9
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图（5）
图（6）
我这是使用步进梯形指令（STL）编程方式，当然也可以使用起保停电路编程方式。杭州职业技术学院机电工程系
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启动 10001 启动洗衣机 00001 停止 10002 进水阀 00002 高水位 10003 正转 00003 中水位 10004 反转 00004 低水位 10005 排水 00005 排空检测 10006 脱水 00006 高水位检测 10007 报警 00007 中水位检测 10008 低水位检测 10009 手动排水 10010 手动脱水 10011
I0.0 启动信号 I0.1 停止信号 I0.2 高水位 I0.3 中水位 I0.4 低水位 I0.5 排空检测 I0.6 高水位检测 I0.7 中水位检测 I1.0 低水位检测 I1.1 手动排水 I1.2 手动脱水
Q0.0 启动指令 Q0.1 进水阀控制 Q0.2 正转及脱水 Q0.3 反转 Q0.4 排水 Q0.5 报警
M0.1 开始洗涤
转:
二、控制要求：
（1）按下启动按扭及水位选择开关，开始进水直到高（中、低）水位，关水
（2）2秒后开始洗涤
（3）洗涤时，正转30秒，停2秒，然后反转30秒，停2秒（4）如此循环5次，总共320秒后开始排水，排空后脱水30秒（5）开始清洗，重复（1）～（4），清洗两遍（6）清洗完成，报警3秒并自动停机
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（7）若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）
图片：
图片：
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图片：13
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图片：14
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图片：15
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NETWORK 1 //开始洗涤
//开始洗涤，M0.1为洗涤状态；M0.2为每次洗涤（共四次）的状态；M0.3为进水阀控制；LD I0.0 AN C2 AN I0.1 =
M0.1
NETWORK 2
//进水阀控制 //
//进水阀控制 // LD M0.1 EU LD I0.5 EU
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OLD O
M0.3 AN M0.2 =
M0.3
NETWORK 3 LD I0.2 AN I0.6 LD I0.3 AN I0.7 OLD LD I0.4 AN I1.0 OLD A
M0.3 =
Q0.1
NETWORK 4 LD Q0.1 ED TON T37, +20
NETWORK 5 LD T37 O
M0.2 AN C1 A
M0.1 =
M0.2
NETWORK 6
//正转及脱水控制 //正转及脱水控制 LD M0.2 AN T38 AN Q0.3 A
M0.1 LD I0.5 AN T40 AN Q0.3 A
M0.1 OLD LD I1.2 AN M0.1 OLD =
Q0.2
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NETWORK 7 LD M0.2 AN T39 TON T38, +300
NETWORK 8
//反转控制 //反转控制 LD T38 AN T39 AN I0.5 A
M0.1 =
Q0.3
NETWORK 9 LD Q0.3 TON T39, +300
NETWORK 10 LD T39 ED LD T40 ED CTU C1, +5
NETWORK 11
//出水阀控制 //出水阀控制 LD C1 LD I1.1 AN M0.1 OLD =
Q0.4
NETWORK 12
//脱水计时 //脱水计时 LD I0.5 TON T40, +300
NETWORK 13
//洗涤和漂洗计数 //洗涤和漂洗计数 LD M0.2 ED LDN M0.1 CTU C2, +3
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NETWORK 14
//报警输出 //报警输出 LD M0.1 TOF T30, +30
NETWORK 15 LDN M0.1 A
T30 =
Q0.5
六：课程设计小结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，PLC已经成为当今空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握PLC的开发技术是十分重要的。
回顾起此次PLC课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在 整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在吴小苏老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在吴小苏老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
参考文献：
《电器控制与PLC》
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指导教师评语：
成绩答辩评定：
指导教师签名：签名：
年 月 杭州职业技术学院机电工程系
日设计说明书
杭州职业技术学院机电工程系21
第五篇：机电一体化毕业论文-PLC机械手控制设计
毕 业 设 计
论文名称：
PLC机械手控制设计
系部： 机车车辆学院
专业： 机电一体化 班级:
313-1 姓名：
全伟
指导教师：刘伟
二O一六年 一月
目录
第一章 PLC机械手控制设计………………………………...…3 1.1 摘要.................…………………………………………….3
1.2 引言 ……………………………………....................………4 第二章
PLC 的概述 …………………………………………4 2.1 PLC的基本知识
…………………………………………..4 2.2 PLC的应用与前景
………………………………………..5
第三章
PLC 的编程语言
…………………………………..7 3.1 梯形图编程语言……………………………………………...7 3.2 功能块图编程语言……………………………………………8 第四章
PLC控制机械手的设计……………………………….9 4.1
机械手在工业生产中的应用………………………………..9 4.2
各电器设备的制方式及控制要求…………………………..10 4.3
电器元件设备的选择 ………………………………………12 4.4
控制系统的软、硬件设计 ………………………………...13 4.5
功能表图设计
……………………………………………..26 第五章
设计小结
………………………………………………33 参考文献 ……………………………………………………....…..34 谢辞
…………………………………………………….....35
PLC机械手控制设计
1.1摘要： 当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力，他们需要进一步降低成本、缩短产品生产周期，并能够迅速完成产品的更新换代。采用最新的自动化技术才是解决这一系列问题的有效手段。
本次论文明确了机械手的功能需求和动作流程通过查找了大量资料，了解完成了布进电机和驱动器的选型。通过对机械手制作流程的分析，确定采用PLC为核心的控制系统。在对机械手的分析设计部分梯形图及控制程序，完成PLC的I/O点分配和硬件接线图。
关键词：机械手，步进电机，可编程序控制器
引言
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。
机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
第二章
可编程控制器的概述
2.1可编程控制器的基本知识
PLC的种类繁多，其规格和性能也各不相同，对PLC的分类，通常根据其形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类.根据 1
PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类（1）整体式PLC
整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等各件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式机构。
整体PLC由不同PLC点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有CPU、I/O接口，与I/O扩展单元相连的扩展口、以及编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电等，没有CPU，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展(2)
模块式PLC
模块式PLC是将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及其他模块。模块式PLC由框架或基板和 各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活、可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用这种模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU，电源，I/O接口等也是各自独立的模块。但它们之间是非电缆进行联接，并且各模块可以应地叠装，这样不但系统可以灵活配置，还可以做的体积小巧。2 按功能分
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低，中，高档次
（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功能还可以少量模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较等功能，主要用于逻辑控制，顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC出具有低档PLC的功能外，还具有模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较；数据转换，远程I/O，子程序，通信联网等功能，有些还可增设中断控制，PID控制等功能，适应于复杂控制系统。
（3）高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了符号算术运算，矩阵运算，位逻辑运算，平方根运算及其他特殊功能函数的运算，制表及表格传递功能等。高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型，中型和大型三类
（1）.型PLC——I/O点数<256点，单CPU，8位或16微处理器，用户存储器容量4K字以下
CE-I型
美国通用电气（GE）公司 TI100
美国德洲仪器公司 F、F1、F2
日本三菱电气公司 C20 C40
日本欧姆龙公司 SF200
德国西门子公司 EX20 EX40
日本东芝公司
SR-20/21
中外合资无锡华光电子工业有限公司（2）．中型——点数256-2048点，双CPU，用户存储器容量2-8K S7-300
德国西门子
SR-400
中外合资无锡华光电子工业有限公司 SU-5 SU-6
德国西门子公司 C-500
日本立石公司 CE-Ш
GE公司
（3）.大型PLC——I/O点数>2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8-16K S7-400
德国西门子公司 GE-IV
GE公司 C-2000
立石公司 K3
三菱公司
2.2 可编程控制器PLC的应用与前景
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金，石油，化工，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格 的不断提高，器应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面： 2.2.1 强量逻辑运算
利用PLC最基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，科取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自动线控制等。例：机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。2.运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。例如：各种机床，装配机械。机器人等进行运动控制。3.过程控制
大，中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能。有的小型PLC也具有模拟量输入输出，所以PLC可实现模拟量控制而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于铝炉，反应堆，水处理，酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。4.数据处理
现代的PLC都具有数学运算数据传递，转换，排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。例如：CNC设备进行处理。5.通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC，PLC与计算机，PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，已实现信息的交换和构成。集中管理分散控制的多级分布式控制系统。满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。2.2.2 国外PLC发展概况
PLC在问世以来，经过40多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有200多个厂家生产PLC。较多的有美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司。韩国：三星、LG公司等
PLC的发展前景
（1）产品规模向大小两个方向发展
大：I/O点数达14336点，32位微处理器，多CPU并行工作，大容量存储器，扫描速度快高速；
小：整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；（2）PLC在闭环过程中应用日益广泛；（3 不断加强通讯功能；（4）新器件和模块不断推出
第三章 可编程控制器的编程语言
3.1可编程控制器的几种编程语言
可编程控制器的编程语言按IEC61131-3国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括:梯形图(LD-Ladder Diagram)、功能块图(FBD-Function Block Diagram)、顺序功能图(SFC-Sequential Function Chart)。文本化编程语言包括:指令表(IL-Instruction List)和结构化文本(ST-Structured Text)。这些语言是基于WINDOWS操作系统的编程语言.而SFC编程语言则在两类编程语言中均可使用。下面分别来介绍这几种编程度语言。
3.1.1梯形图编程语言(LD-Ladder Diagram)
梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右 侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简单的梯形图程序如图1所示:
图3.1
梯形图程序示例
梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。
梯形图编程语言具有如下特点:(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习;(3)对于复杂控制系统描述,仍不够清晰;(4)可读性仍不够好。
几乎所有PLC厂商提供的PLC都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的S7系列梯形图就没有右边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。
3.1.2 功能块图编程语言(FBD-Function Block Diagram)
功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。
功能模块基本上分为两类:基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如AND，OR XOR等等.特殊功能模块如ON延时，脉冲输出，计数器等等。功能块编程语言具有以下特点:(1)以功能模块为单位,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易;(2)功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言;(3)对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时 间;(4)因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛。
第四章 PLC控制机械手的系统设计
4.1各电器设备的控制方式及控制要求 机械手的技能和特性
根据古典力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。因此，抓握物体的位置和方向（即关节间的角度）能从理论上求得。据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。而且把机械手的功能搞得那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有24个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，费用增多。因此，不应盲目模仿人手的动作，增加过渡的自由度，而应根据实际需要的动作，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。.躯干和传动系统
机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。
(1)、夹紧机构
机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。设计制造夹紧机构——手爪时，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化，为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力应限制一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。
夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式的夹紧机构。
机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在180度。(2)躯干
躯干由底盘和手臂两大部分组成。
底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达270度。
手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂采用步进电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂的运动。改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传 动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。
4.2电器元件、设备的选择
PLC机型的选择
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。
进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的ｗ装置等。2 输入/输出的点数：
I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。
此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。
本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。松下FPO系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用松下FPO系列的FPO——C16T作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。由于输入输出点不够，扩展一个FPO——E16RS模块。3
电源模块的选择：
采用Dm150系列开关电源。其特点是输出功率大，体积小，重量轻，可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。主要参数：
输入交流电压：110~220V/50Hz、60Hz 输出直流电压：24V/6.5A 最大功率：156W 工作环境：-10~40度 4.步进电动机的选择：
采用二相八拍混合式步进电动机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等特点。型号：42BYGH101。
快接线插头中的红色表示A相，蓝色表示B相。
使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将A相或B相两根线对调。（1）.步进电动机驱动模块
采用中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出分等。如下图所示。
驱动模块
电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。
信号输入部分：信号源由FPO主机提供。由于FPO提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。
输出部分：与步进电动机连接，注意相序。（2.）传感器
采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用;采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。
接近开关：接近开关有三根连接线（红、蓝、黑）红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。微动开关：当挡块碰到微动开关动作（常开点闭合）。
（3）FPO模块
由松下FPO系列PLC晶体管输出的主机，具有高速运算能力、PID调节功能，同时可以输出两路脉冲控制两台电动机的优点。输出两路脉冲梯形图及f/t。
（4）直流电动机
采用36ZY5-12型直流电动机。输入电压为12~24V,由FPO模块控制电动机正反转。（5）旋转码盘
机械手每旋转3度发出一个脉冲。
4.3 控制流程图
机械手工作流程图如下图所示。把可编程序控制器主机上的RUN-PROG的开关拨在RUN上，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪那边移动，竖轴向上移动）。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪加紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手张开；延时后竖轴上升复位；然后开始下一周期动作。
图4.1机械手控制流程图
4.4控制系统的软、硬件设计 1 控制系统硬件设计
PLC硬件设计是指PLC外部设备的设计。在硬件设计重要进行输入设备的选择（如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等），还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。硬件设计还包括PLC输入/输出通道的分配，为便于程序设计和阅读，常作出I/O通道分配表，表中包括有I/O编号、设备代号、名称及功能等。机械手控制系统电器原理图。
可编程序控制器采用松下FP系列的FPO——C16T作为基本模块，由于输入输出点 不够，扩展一个FPO——E16RS模块。由于接近开关有三根线，接线时注意把红色的线接电源的正极，黑色线接电源的负极，蓝色的线接PLC的输入端子。2 控制系统的软件设计
软件设计主要是指编写工艺流程图，即将整个流程分解为若干步，确定每步的控制要求及转换条件，配合定时、计数、分支、循环、跳转及某些特殊功能指令便可完成梯形图的设计。I/O地址分配 I/O地址分配如表所示 I/O地址分配一览表
输入： X0 X1 X2 X3 X4 X20 X21 X22 X23 横轴正限位 竖轴正限位 横轴反限位 竖轴反限位 旋转脉冲 手正转限位 手反转限位 底座正限位 底座反限位
输出： Y0 Y1 Y2 Y3 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24
横轴脉冲 竖轴脉冲 横轴方向 竖轴方向 手正转 手反转 底座正转 底座反转 电磁阀动作
(1).确定输入输出接点的总数
输入接点：启动按钮SB、行程开关SQ1——SQ4、光电开关SQ5，一共6个。输出接点：YV1——YV2总共5个。(2).估算PC内存总数
选取PC类型，PC内存总数取决于程序指令总条数。PC内存总数又是选取PC类型的重要依据，为此依据下面的经验公式对指令总条数进行估算。指令总条数=（10——20）*（输入点数+输出点数）
本例中指令总条数为（10——20）*（6+5）=110——220条。(3).输入输出点分配
如下图是机械手输入和输出信号与PC输入输出端子的分配图，其中根据需要增加了机械手回到原位时的指示灯，为了防止误按启动按钮引起机械手的误动作，增加了复位按钮，启动时需要先按复位按钮在按启动按钮，否则机械手不会动作。
图4.2机械手PC输入/输出端子的分配
(4).方案选择
考虑到机械手在工作时间时可能发生误动作行程开关而引起的不安全动作，各个输入开关信号只能在规定的状态发生作用，例如，SQ1的闭合信号只能当机械手位于原位而且按下SB2后或从原位右移到右位后才能起作用，其他状态时SQ1不起作用。为了达到这一目的，选择使用移位寄存器来完成顺序控制。3 梯形图设计
机械手的控制属顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，很容易进行程序设计。
（1）根据机械手的工作方式情况，选择“梯形图的总体设计
单步操作”方式时，应执行“单步操作”程序；在选择“返回原位”方式时，应执行“返回原位”程序;“自动”方式时，应执行“自动”程序，故梯形图的总体构成如下图所示。其中，自动程序要在启动按钮按下时才执行。
图4.3机械手PLC控制梯形图总体构成
（2）各部分梯形图的设计
通用部分梯形图设计
A状态器的初始化：初始状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关处于“返回复位”（X501接通）时，按下返回复位按钮（X505）时被置位;在“单步操作”（X500接通）时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动作复位操作，即在方式选择开关位于“单步操作”或 “返回复位”时，中间状态器同步复位，故初始状态梯形图如下图示（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）
状态器初始化梯形图。
B状态器转换启动：若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后，按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步步向下传递，即可以进行转换。在执行“连续操作”程序时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一方面，采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态开始进行转换，其梯形图如下图。
图4.4状态器转换启动梯形图
C状态器转换禁止梯形图：激活特殊辅助继电器M574，并用步进指令控制状态器转换时，状态器的自动转换就被禁止。
在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并保持，操作停止在现行工步。当按下启动按钮时，从现行工序重新开始工作，M574应复位，即重新允许转换。
在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但每按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一步。
在“手动”工作方式（单一操作，返回原位）情况下，禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。
PLC在启动时，用初始化脉冲M71使M574自保持，以次禁止状态转换，直到按下启动按钮。状态器转换禁止梯形图如下。
图4.5状态器转换禁止梯形图
通过对上图的分析可得出：在执行“单步操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时，每按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的状态可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的状态转换被禁止，操作停止现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续操作”程序时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。
D单步操作梯形图
手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方法来设计梯形图。“单步操作”时，按下夹持按钮时，夹持输出Y431自保持，只有按下松开按钮时，Y431才会复位；按下上升按钮，上升输出Y432保持接通；按下下降按钮，Y430保持接通；在上限位按下左行按钮，左行输出Y434保持接通；在上限位按下右行按钮，右行输出Y433保持接通。单步操作是梯形图如下图。
图4.6机械手单步操作梯形图
E返回原位梯形图
在“返回原位”状态下，“夹持”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形图如下图。
图4.7机械手返回原位梯形图
F “自动”状态梯形图
如下图表示了机械手自动工作时执行各工步的情况。表明了各工步的实现以及各工步的转换条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y430接通。自下限位置时，X401接通，转化为“夹持”过程。在夹持工步中，夹持电磁阀Y431置位，同时驱动T450。T450接通后，转化为第一次上升。此后执行类似的操作，完成由初始条件到下一个初始条件的一系列操作。在夹持输出Y431置位后，保持夹持，直到夹持输出复位松开。如上述一步步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。这种控制过程用继电器符号程序很难实现程序设计。
图4.8机械手自动工作流程图
用状态器替代自动工作流程图中的各工步，可得到如下图所示的功能表图。初始状态在图中用双线框表示。
图4.9机械手自动工作功能表图
根据上图所示的功能表图，可设计出自动操作时的梯形图，如下图所示。
图4.10机械手自动工作梯形图 绘制机械手PLC将控制梯形图
将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体构成图的形式作何在一起，得到机械手PLC控制的梯形图，如下图所示。
图4.11机械手PLC控制梯形图 该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放至自动工作方式下。若自动工作状态解除，则应将工作方式选择开关放至“单步操作”位置。
4.5 功能表图设计
步的划分
分析被控对象的工作过程及控制要求，将系列的工作过程划分成若干阶段，这些阶段称为“步”。步是根据PLC输出量的状态划分的，只要系统的输出量状态发生变化，系统就从原来的步进入新的步。如下图所示，某液压动力滑台的整个工作过程可划分为四步，即：0步A、B、C均不输出；1步A、B输出；2步B、C输出；3步C输出。在每一步内PLC各输出量状态均保持不变。
步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象的状态变化应该是由PLC输出状态变化引起的。如下图所示，初始状态是停在原位不动，当得到起动信号后开始快进，快进到加工位置转为工进，到达终点加工结束又转为快退，快退到原位停止，又回到初始状态。因此，液压滑台的整个工作过程可以划分为停止（原位）、快进、工进、快退四步。但这些状态的改变都必须是由PLC输出量的变化引起的，否则就不能这样划分。例如：若从快进转为工进与PLC输出无关，那么快进、工进只能算一步。
总之，步的划分应以PLC输出量状态的变化来划分，因为我们是为了设计PLC控制的程序，所以PLC输出状态没有变化时，就不存在程序的变化。2.转换条件的确定
确定各相邻步之间的转换条件是顺序控制设计法的重要步骤之一。转换条件是使系统从当前步进入下一步的条件。常见的转换条件有按钮、行程开关、定时器和计数器触点的动作（通/断）等。
如上图“步的划分方法二”所示，滑台由停止（原位）转为快进，其转换条件是按下起动按钮SB1（即SB1的动合触点接通）；由快进转为工进的转换条件是行程开关SQ2动作；由工进转为快进的转换条件是终点行程开关SQ3动作；由快退转为停止（原位）的转换条件是原位行程开关SQ1动作。转换条件也可以是若干个信号的逻辑（与、或、非）组合。如：A1*A2、B1+B2。3.功能表图的绘制
根据以上分析画出描述系统工作过程的功能表图，是顺序控制设计中最为关键的一个步骤。绘制功能表图的具体方法将在下面介绍。4.梯形图的编制
根据功能表图，采用某种编程方式设计出梯形图程序。有关编程方式建在下一节中介绍。功能表图的绘制方法 A
功能表图概述
功能表图又称流程图。它是描述控制系统的控制过程、功能和特征的一种徒刑。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，是一种通用的技术语言，因此，功能表图也可用于不同专业的人员进行技术交流。
功能表图是设计顺序控制程序的有力工具。在顺序控制设计法中，功能表图的绘制是最关键的一个环节。它直接决定用户设计的PLC程序的质量。
各个PLC厂家都开发了相应的功能表图，各国也动制定了功能表图的国家标准。我国于1986年也颁布了功能图的国家标准（GB6988.6——86）。B
功能表图的组成要素
如下图所是为功能表图的一般形式。它主要是由步、转换、转换条件、有向连线和动作等要素组成。
C
步与动作
前面已介绍过，用顺序控制设计法设计PLC程序时，应根据系统输出状态的变化，将系统的工作过程划分成若干个状态不变的阶段，这些阶段称为“步”。步在功能表图中用矩形框表示。如，框内的数字是该步的编号。如下图所示各步的编号为n-
1、。当系统正工作于某一步时，该步处于活动状态，每个功能表图至少应n、n+1。编程时一般用PLC内部软继电器来代表各步，因此经常直接用相应的内部软继电器编号作为步的编号，如该有一个初始步。
所谓“动作”是指某步活动时，PLC向被控系统发出的命令，或被控系统应该执行的动作。动作用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应步的矩形框相连接。如果某一步有几个动作，可用下图中的两种画法来表示，但并不隐含这些动作间的任何顺序。
称为“活动步”。在功能表图中初始步用双线框表示，如
当步处于活动状态时，相应的动作被执行。但应注意表明动作是保持型还是非保持型的。保持型的动作是指该步活动时执行该动作，该步变为不活动后继续执行该动作；非保持型动作是指该步活动时执行，该步变为不活动时动作也停止执行。一般保持型的动作在功能表图中应该用文字或助记符标注，而非保持型动作不要标注。D
有向连线、转换和转换条件 如上图“功能表图的一般形式”所示，步与步之间用有向连线连接，并且用转换将步分隔开。步的活动状态进展是按有向连线规定的路线进行。有向连线上无箭头标注时，其进展方向是从上倒下、从左到右。如果不是上述方向，应在有向连线上用箭头注明方向。步的活动状态进展是由转换来完成的。转换是用与有向连线垂直的短划线来表示。步与步之间不允许直接相连，必须有转换隔开，而转换与转换之间也同样不能直接相连，必须由步隔开。转换条件是与转换相关的逻辑命题。转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注表示转换的短划线旁边。
转换条件和，分别表示当二进制逻辑信号为“1”和“0”状态时条件成立；转换条件和1.分别表示的是，当从“0”（断开）到“1”（接通）和从“1”到“0”状态条件成立。
功能表图中转换的实现
步与步之间实现转换应同时具备两个条件：①前几步必须是“活动步”；②对应的转换条件成立。
当同时具备以上两个条件时，才能实现步的转换，即所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动，而所有由有向连线与相应转换符号相连的前几步都变为不活动。2.功能表图的基本结构
根据步与步之间转换的不同情况，功能表图有以下几种不同的基本结构形式。（1）单序列结构
功能表图的单序列结构形式最为简单，它由一系列按顺序排列、相继激活的步组成。，每一步的后面只有一个转换，每一个转换后面只有一步。（2）选择序列结构
选择序列有开始和结束之分。选择序列的开始称为分支，选择序列的结束称为合并；选择序列的分支是指一个前级步后面紧接着有若干个后续步可供选择，各分支都有各自的转换条件。分支中表示转换的短划线只能标在水平线之下。
如下图所示为选择序列的分支。假设步4为活动步，如果转换条件a成立，则步4向步5实现转换；如果转换条件b成立，则步4向步7转换；如果转换条件c成立，则步4向步9转换。分支中一般同时只允许选择其中一个序列。
选择序列的合并是指几个选择分支合并到一个公共上。各分支也都有各自的转换条件，转换条件只能标在水平线之上。
如下图所示为选择序列的合并。如果步6为活动步，转换条件d成立，则由步6向步11转换；如果步8为活动步，且转换条件c成立，则步8向步11转换；如果步10为活动步，转换条件f成立，则步10向步11转换。
（3）并列序列结构
并列序列也有开始与结束之分。并列序列的开始也称为分支，并列序列的结束也称为合并。下图（a）所示为并列序列的分支，它是指当转换实现后将同时使多个续步激活。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。如果步3为活动步，且转换条件c也成立，则4、6、8三步同时变成活动步，而步3变为不活动。应当注意，当步4、6、8被同时激活后，每一序列接下来的转换将是独立的。下图（b）所示为并列序列的合并，当直接在双线上的所有前级步5、7、9都为活动步时，转换条件d成立，才能使转换条件实现，即步10变为活动步，而步5、7、9均变为不活动步。
（4）子步结构
在绘制复杂控制系统功能表图时，为了使总体设计时容易抓住系统的主要矛盾，能更简洁地表示系统的整体功能和全貌，通常采用“子步”的结构形式，可避免一开始就陷入某些细节中。
所谓子步的结构是指在功能表图中，某一步包含着一系列子部和转换。如下图所示的功能表图采用了子步的结构形式。功能表图中步5包含了5.1、5.2、5.3、5.4四个子步。
子步结构
这些子步序列通常表示整个系统中的一个完整子总能，类似于计算机编程中的子程 序。因此，设计时只要先画出简单的描述整个系统的总功能表图，然后再进一步画出更详细的子功能表图。子步中可以包含更详细的子步。这种采用子步的结构形式，逻辑性强，思路清晰，可以减少设计错误，缩短设计时间。
功能表图除以上四种基本结构外，在实际使用中还经常碰到一些特殊序列，如跳步、重复和循环序列等。
（5）跳步、重复和循环序列
除以上单序列、选择序列、并行序列和子步四种基本结构外，在实际系统中经常使用跳步、重复和循环序列等特殊序列。这些序列实际上都是选择序列的特殊形式。如下图（a）所示为跳步序列，当步3为活动步时，如果转换条件c成立，则跳过步4和步5直接进入步6。
如下图(b)所示为重复序列，当步6为活动步时，如果转换条件d步成立而条件e成立，则重复返回步5，重复执行步5和步6。直到转换条件d成立，重复结束，转入步7。如下图（c）所示为循环序列，在序列结束后，即步3为活动步时，如果转换条件e成立，则直接返回初始步0，形成系统的循环。
跳步、重复和循环序列
在实际控制系统中，功能表图中往往不是单一地含有上述某一种系列，而经常是上述各种序列结构的组合。
第五章 设计小结
毕业设计是我们毕业前夕最后也是最重要的一份作业，是对我们三年求学的一个总结，包含了我们三年中所学知识的积累，更是提升我们能力的一种方式。同时也是对我们学业的考核使我们的学业得以圆满结束。
经过一段时间的设计，可编程控制器和机械手的设计完毕，机械手的模型已设计完毕，其功能基本达到要求。整个系统稳定性好，而且只要修改控制程序，就可以让机械手作出不同的动作，控制的柔性很好。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习与探索的过程。在这个过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和深刻的体会，并在学习和实践过程中增长了知识、丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行于调试的过程来进行。系统的分析和设计是一项既复杂又辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程，在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力直到问题得到解决。
在设计中，体会到理论必须和实际相结合。虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多差异，出现了许多意想不到的问题。许多问题都是书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到要求的系统。
参 考 文 献
可编程序控制器的原理及应用
机械工业出版社
主编
王卫兵 可编程序控制器的原理应用试验
机械工业出版社 主编
常斗南 机电传动与控制
华中理工大学出版社
主编 程宪平数控机床电气控制
西安电子科技大学出版社
主编机电一体化系统设计
高等教育出版
主编
张建民
姚永刚
谢辞
紧张充实的毕业设计就要结束了，大学三年的生活也到了尾声。回想起以往的美好时光，此时感慨万千，首先感谢指导教师党老师在毕业设计中对我的帮助，鼓励和精心指导，党老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄廓，关键是指导有方严格我们要求，为我营造了一种良好的精神氛围。置身党老师的指导过程中，不仅我的思想观念焕然一新，也改善了我的思考方式，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，令我如沐春风，倍感温馨。一股暖意细水长流，源自内心而又沐润全身，微言寸语岂能祥诉感激之情，只好铭记心中，唯有虔诚的祝福导师合家欢乐，一生平安。同时，也将祝福送给每一位帮助我的师长。同时感谢我的同学在我的毕业设计过程其中对我莫大的鼓励。毕业设计的完成也算是对我们学习生涯的一个句号，回想三年大学时光，与老师和同学们的点点滴滴，你们给与我的种种帮助，使我得以今天能顺利完成毕业设计，完成学业。谢谢你们，我所有的老师与同学。最后衷心的祝愿你们工作顺利、家庭幸福、身体健康！
感谢我的朋友和同学们在我三年生活和学习中对我的帮助，就要分别了，衷心祝福各位一路走好。再次感谢各位老师和同学，希望大家以后工作顺利。谢谢！
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