第一部分:机械手PLC控制系统电气控制系统设计
一、机械手PLC控制系统电气控制系统设计任务书
1．机械手PLC控制系统工艺的技术要求
随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。
机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。
借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
机械手PLC控制系统分别由：牵引工作台水平移动的电机M1，牵引手臂上下移动的电机M2，机械夹钳，左限位行程开关，右限位行程开关，上限位行程开关，下限位行程开关，以及检测A点、B点是否有工件的光电开关。机械手ＰＬＣ控制系统原理图如图２－１－１所示：
图 ２－１—1 机械手动作示意图
机械手的工作是从原点下降Ａ点抓取工件移动到右端，当Ｂ点工件未被移走是机械手不下降，等待工件移走后下降到Ｂ点，并放开机械夹钳，机械手臂向上移动到上限位然后回到原点开始下一个工作周期。
机械手PLC控制系统可由手动控制和自动控制。自动控制时，当按下起动按钮或A点检测到工件时机械手开始工作。
机械手ＰＬＣ控制系统对被抓取工件和所处环境工艺要求会有不同，可改变相应的部件进行调整，但电气控制系统已能满足需求。
2．机械手PLC控制系统动力设备
机械手PLC控制系统中所使用的动力设备（牵引工作台水平移动的电机M1、牵引机械手臂上下移动的电机M2），均采用三相交流异步电动机。
3．机械手PLC控制系统电气控制系统设计要求
（1）控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。 （2）可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。 （3）PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。
（4） 为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等。 （5）绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。 （6） 选择电器元件、编制元器件目录表。
（7）绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。 （8）采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。
二、机械手ＰＬＣ控制系统电气控制系统总体设计过程
1．总体方案说明
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（１）机械手ＰＬＣ控制系统控制对象电动机均由交流接触器完成正转、反转和停止控制。 （２）两台电动机均接热继电器现过载保护，为常闭触点用以完成各个电动机系统的过载保护。 （３）主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。 （４）电控箱设置在控制室内。控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。
（５）PLC选用继电器输出型。
（６）PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。
2．机械手PLC控制系统电气控制原理图设计 (1) 主电路设计
机械手PLC控制系统电气控制原理图如图2-2-1所示
图2-2-1机械手PLC控制系统电气控制系统主电路
（1） 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4分别控制M1、M2通过正、反转完成机械手上升、下降、左移和右移。
（2）电动机M1、M2由热继电器FR1、FR2实现过载保护。
（3）QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。
（4） 熔断器FU1、FU2分别实现各负载回路的短路保护。 (2) PLC控制电路设计
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（1） 硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。
（2）根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。图2-2-2 机械手PLC控制系统PLC控制电路原理图：
图2-2-2 机械手PLC控制系统PLC控制电路原理图
（3）KM1、KM2、KM3和KM4接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。 （4） PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（＋）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。
（5）PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。表2-1和表2-2分别为机械手PLC控制系统PLC输入和输出接口功能表。
表2-1机械后PLC控制系统PLC输入接口功能表
序号 1 2
工位名称 自动/手动切换 停止 3
输入端口 X0 X1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 自动起动 上限位 下限位 左限位 右限位 手动向上 手动向下 手动向左 手动向右 手动放松 A点光电开关 B点观点开关 单周期工作 连续工作 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 表2-2 机械手PLC控制系统PLC输出接口功能表
序号 1 2 3 4 5 6 (5) PLC控制程序设计
工位名称 机械夹钳加紧/放松 上升 下降 左移 右移 原点指示 输出端口 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 （1） 程序设计。根据控制要求，机械手ＰＬＣ控制系统控制流程图，如图２－２－３所示，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。
（2) 系统静态调试。空载静态调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试过程中尽
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量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。
（3) 系统动态调试及运行。在动态带负载状态下调试，密切观察系统的运行状态，采用先手动再自动的调试方法，逐步进行。遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法，同时做好详尽记录，以备分析和改进。
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图２－２－３ 机械手ＰＬＣ控制系统控制流程图
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机械手PLC控制系统PLC控制程序如下所示：
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第二部分: 电气线路安装调试技能训练
技能训练题目一:
电气原理图:
图1-1-1 Y-△电气原理图
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电气安装接线图:
图1-1-2 Y-△起动电气安装接线图
技能训练题目二:
电气原理图:
图1-2-1 正-停-反 电气原理图
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电气安装接线图:
图1-2-2 正-停-反 电气安装接线图
本人完成的安装线路实物图片二:
图1-2-1 正-停-反 安装接线实物图
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技能训练小结:
1.电气原理图的绘制要求:
（1）电气原理图一般分为主电路和辅助电路。主电路是从电源到电动机或电路末端，是强电通过的部分，画在原理图的左侧或上面。辅助电路是通过小电流的电路，一般是由按钮、电器元件的线圈、接触器的辅助触点、继电器的触点等组成的控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，画在原理图的右侧。复杂系统分区绘制。
（2）每一电器元件采用国家规定的统一图形符号来表示，在图形符号附近用文字符号标注属于哪类电器。
（3）同意电器的各个部件（如接触器的线圈和触点）在图中的位置，根据便于阅读和研究的原则来安排，可以不画在一起，但属于同一电器的部件均编以相同的文字标注。
（4）对于接触器、继电器的触点按吸引线圈不通电状态画出，控制器手柄趋于零位的状态画出，按钮、行程开关触点按不受外力作用时的状态画出。
（5）在原理图中，无论主电路还是辅助电路，各电器元件一般应按动作顺序和信号流从上到下、从左到右依次排列，可水平布置或者垂直布置，并尽可能减少线条和避免线条交叉。电路中各元器件触点图形符号，当图形垂直放置时，以“左开右闭”原则绘制，当图形为水平放置时，以“上闭下开”原则绘制。
（6）直流和单相电源电路用水平线画出，一般画在图样上方（直流电愿正极）和下方（直流电愿负极）。多相电源电路，用水平线集中画在图样上方，相序自上而下排列。中性线（N）和保护接地线（PE）放在相线之下主电路与电源电路垂直画出。控制电路与信号电路垂直画在两条水平线电源线之间。耗电元件（如线圈、电磁铁、信号灯等）直接与下方水平线连接，控制触点连接在上方水平线与耗电元件之间。
（7）为了便于检索电气电路，方便阅读和分析，在原理图的上方或右方将图分成若干图区，并标明该图区电路的用途与作用。
（8）在电气原理图中，接触器和继电器线圈与触点之间的从属关系要加以说明，即在原理图中相应线圈下方，给出触点的文字符号，并在其下标注相应的触点的索引代号。对未使用的触点用“×”表示，也可以不画。
接触器相应触点的索引各栏的含义如下： 左栏：主触点所在图区号；
中栏：动合辅助触点所在图区号； 右栏：动断辅助触点所在的图区号。 继电器相应触点的索引各栏的含义如下： 左栏：动合触点所在图区号； 右栏：动断触点所在图区号。
2.电气接线图的绘制要求:
（1）绘制电气安装接线图时，各电器元件均按其在安装底板中的实际位置绘出。元件所占图面按实际尺寸以统一比例会址。
（2）绘制电气安装接线图时，一个元件的所有部件绘在一起，并用点划线框起来，有时将多个电器元件用点划线框起来，表示它们是安装在同一安装底板上的。
（3）绘制电气安装接线图时，安装底板内外的电器元件之间的连线通过接线端子板进行连接，安装底板上有几条接至外电路的引线，端子板上就应绘出几个线的接点。
（4）绘制电气安装接线图时，走向相同的相邻导线可以绘成一股线
3.电器安装、接线的工艺要求:
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⑴无论是主电路还是辅助电路，各电气元件一般应按动作顺序和信号流从上到下、从左到右依次排列，可水平布置或垂直布置，并尽可能减少线条和避免线条交叉。
⑵同一电气的各部分画在一起，其尺寸和比例没有严格要求，各部件的位置尽量符合实际情况。 ⑶各电气元件的图形符号、文字符号和回路标记，均应以原理图为准，并且要保持一致。
⑷应详细的标明配线用的型号、规格、截面积及连接导线的根数，标明所穿管子的型号、规格，并标明电源的引入点。
⑸不在同一控制箱内或不是同一块配电屏上的各电气元件之间的连接，必须通过接线端子板进行连接。
４.实训线路发生的故障及排除办法：
（1）线路中发生短路故障。当发生短路时关断开关，检查电路中的熔断器中的熔丝是否已被烧断，如果已经烧断就重新更换熔断丝。
（2）检查热继电器是否有电，如果没电，说明线路中有过载情况，应检查线路，然后复位热继电器。
（3）检查各接触触点是否毁坏，如果坏了修好已坏触点。 （4）通电正常，接触器线圈吸合正常，但电机不通电。
考虑接触器触电是否接触良好，断电用万用表电阻档分别接到触电，手动按下触点，看看电阻状态。查出接触点不通电检查是触点是否有异物阻隔，并调整。
（5）开停按钮有效反向按钮不起作用：
打开开关看看是否接线正确，发现少接了一条控制线，再看图接好按钮控制线。 （6）其他正常电机没有反向。
首先想到反向是由换相实现的，找到换相存在的问题，调节接线。
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