基于PLC的工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文設(shè)計(jì)】 38011

1、jiu jiang university畢 業(yè) 論 文 題 目 基于plc的工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 英文題目 based on plc industrial manipulator control system design 院 系 專 業(yè) 姓 名 年 級(jí) 指導(dǎo)教師 二零一三年五月摘 要機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、搬運(yùn)、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視?？傊瑱C(jī)

2、械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段。本設(shè)計(jì)描述了基于plc的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了機(jī)械手控制系統(tǒng)中的硬件選擇方法，軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，以及plc控制裝置的工作過(guò)程。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手在搬運(yùn)裝配線上，通過(guò)s7-200plc控制機(jī)械手完成從a傳送帶搬運(yùn)物件至b傳送帶中，然后進(jìn)入下一個(gè)工作流程。機(jī)械手的上升/下降和左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)的執(zhí)行，分別由雙線圈二位電磁閥控制氣缸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；夾緊/放松則是由單線圈的二位電磁閥控制氣缸的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。【關(guān)鍵詞】機(jī)械手；plc；電磁閥 based on plc industrial manipulator contro

3、l system design abstractin the field of industrial automation manipulator is often met in a control object. in recent years, with the development of industrial automation manipulator gradually become a new subject, and with the rapid development. manipulator widely application and forging, stamping,

4、 forging, welding, assembling, handling, spray paint, heat treatment, etc. especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, dust and so on bad work environment, manipulator because of its significant advantages by pay special attention to. in a word, the manipulator is to imp

5、rove the labor productivity, improve working conditions, reduce labor intensity and realize industrial production automation is an important means.this design based on plc describes the manipulator control system design, introduced the manipulator control system, the hardware selection method, the s

6、oftware design process, and the working process of the plc control device.the design and implementation of the manipulator in the handling assembly line, manipulator controlled by the s7-200plc complete conveyor belt carrying objects from a to b conveyor, and then go to the next workflow. the implem

7、entation of the up / down and left / right of the manipulator, respectively, to achieve control movement of the cylinder by a double coil solenoid valve; clamp / unclamp cylinder is controlled by a single coil solenoid valve movement.【key words】manipulator；plc；solenoid valve目 錄摘 要1目 錄4第1章 緒 論11.1 課題

8、的目的和意義11.2 課題研究的內(nèi)容1第2章 機(jī)械手和plc22.1 機(jī)械手22.1.1 機(jī)械手的概述22.1.2 機(jī)械手的應(yīng)用22.1.3 機(jī)械手的應(yīng)用意義32.1.4 機(jī)械手的發(fā)展概況42.1.5 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)42.2 plc52.2.1 plc的基本概念52.2.2 plc的組成62.2.3 plc的主要特點(diǎn)72.2.4 plc的工作原理82.2.5 plc的應(yīng)用領(lǐng)域10第3章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)123.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)件概述123.2 系統(tǒng)控制對(duì)象及工藝過(guò)程143.3 控制要求163.4 方案選擇及系統(tǒng)配置163.5 plc的硬件設(shè)計(jì)173.5.1 plc的選型173.5.2

9、 i/o的資源配置183.5.3 plc的接線圖203.5.4 操作面板213.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)213.6.1 順序功能圖223.6.2 全程序ob1233.6.3 公用程序253.6.4 手動(dòng)程序263.6.5 自動(dòng)程序263.6.6 回原點(diǎn)程序32第4章 系統(tǒng)程序調(diào)試354.1 控制系統(tǒng)的程序調(diào)試步驟354-2 調(diào)試過(guò)程中注意的事項(xiàng)354-3 系統(tǒng)中調(diào)試結(jié)果36第五章 結(jié)束語(yǔ)40參考文獻(xiàn)41致謝412第1章 緒 論1.1 課題的目的和意義機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛

10、造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視?？傊?，機(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段。國(guó)內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展?？删幊绦蚩刂破?programmable logic controller,plc)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，plc在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)成為工廠自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。由于自動(dòng)化可以節(jié)省大

11、量的人力、物力等，而plc也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用plc。機(jī)械手在美國(guó)、加拿大等國(guó)家應(yīng)用較多，如用果實(shí)采摘機(jī)械手來(lái)摘果實(shí)、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等。我國(guó)自動(dòng)化水平本身比較低，因此用plc來(lái)控制的機(jī)械手還比較少。本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手就是通過(guò)plc來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的。通過(guò)此次設(shè)計(jì)可以更進(jìn)一步學(xué)習(xí)plc的相關(guān)知識(shí)，了解世界先進(jìn)水平，盡可能多的應(yīng)用于實(shí)踐。1.2 課題研究的內(nèi)容本課題主要研究的是基于plc的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)編寫plc程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自

12、動(dòng)控制。第2章 機(jī)械手和plc2.1 機(jī)械手2.1.1 機(jī)械手的概述它能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)

13、立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有23個(gè)自由度。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在

14、鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。2.1.2 機(jī)械手的應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是

15、為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。國(guó)內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中機(jī)械手主要應(yīng)用于以下幾方面：1.熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。2.冷加工方面的應(yīng)用冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床

16、、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。3.拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動(dòng)條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來(lái)越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。2.1.3 機(jī)械手的應(yīng)用意義在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下：1.可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械

17、手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。2.可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由

18、于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。2.1.4 機(jī)械手的發(fā)展概況專用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾

19、十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特(unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。6070年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。80-90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)

20、、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。總之，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)fms(flexible manufacturing system)和柔性制造單元fmc(flexible

21、 manufacturing cell)中重要一環(huán)。2.1.5 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又

22、便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變

23、更。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工件，通過(guò)裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過(guò)裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高?，F(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手

24、和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。2.2 plc2.2.1 plc的基本概念現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)模、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性， plc正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。plc的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)廣泛第應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，plc在其他領(lǐng)域，例如明勇和家庭自動(dòng)化的應(yīng)用也得到迅速的發(fā)展。plc依然處于不斷的發(fā)展之中，器功能不斷增強(qiáng)，更加開(kāi)放，它不但是單片自動(dòng)化

25、中應(yīng)用最廣的控制設(shè)備，在大興工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有不可動(dòng)搖的地位，plc應(yīng)用面之廣、普及程度之高，是其他計(jì)算機(jī)控制設(shè)備無(wú)法比擬的。國(guó)際電工委員會(huì)（iec）在1985年的plc標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對(duì)plc作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌湎嚓P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！睆纳鲜龆x可以看出，plc是一種用程序來(lái)改變控制功能的工業(yè)計(jì)

26、算機(jī)，除了能完成各種的控制功能外，還有與其他計(jì)算機(jī)通訊聯(lián)網(wǎng)的功能。2.2.2 plc的組成plc主要由cpu模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成（見(jiàn)圖1-1）。plc的特殊功能模塊用來(lái)完成特殊的任務(wù)。 圖2-1 plc的組成1.cpu模塊cpu模塊主要有微處理器）cpu芯片和存儲(chǔ)器組成。在plc控制系統(tǒng)中，cpu模塊相當(dāng)認(rèn)得大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。s7-200將cpu模塊簡(jiǎn)稱為cpu。2. i/o模塊輸入（input）模塊和輸出（output）模塊簡(jiǎn)稱為i/o模塊，它們相當(dāng)于人們的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和cpu模塊的

27、橋梁。輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥號(hào)開(kāi)關(guān)、壓力繼電器等來(lái)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。cpu模塊的工作電壓一般是5v，而plc外部的輸入、輸出電路的電源電壓較高，例如dc 24v和ac 220v。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞cpu 模塊中的元器件，或使plc不能正常共作。在i/o模塊中，用光耦合器，光敏晶閘管、小型繼電器等期間來(lái)隔離p

28、lc的內(nèi)部電路和外部的i/o電路。i/o模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。3. 編程器編程器用來(lái)生成用戶程序，并用它來(lái)編程、檢查、修改用戶程序，事件用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編程指令表程序，因此又叫做指令編程器。；它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來(lái)給小型plc編程，或者用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。使用編程軟件可以再計(jì)算機(jī)屏幕上生成和編輯梯形圖或指令表程序，并且可以實(shí)現(xiàn)不同程序語(yǔ)言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到plc，也可以講plc中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或電話線，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳達(dá)。4.電源plc使用ac 220v電

29、源或dc 24v電源。內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為各模塊提供不同電壓等級(jí)的直流電源。小型plc可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供dc 24v電源，驅(qū)動(dòng)plc負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。2.2.3 plc的主要特點(diǎn)一、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高plc專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有很高的可靠性。它的主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，i/o系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信息調(diào)理電路；在機(jī)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震都有精確考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數(shù)字濾波等干擾和故障診斷措施。所有這些使plc具有較高的抗干擾能力，因此穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)。與繼電器接觸裝置和通用計(jì)算機(jī)相

30、比，plc更能試用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。二、控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)plc及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。在plc構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，只需要在plc的端子上接入相應(yīng)的輸入/輸出信號(hào)線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量且繁雜的硬接線線路。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時(shí)，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個(gè)plc裝置用于不同的控制對(duì)象，只是輸入/輸出組件和應(yīng)用軟件的不同。plc的輸入/輸出可以直接與交流220v、直流24v等強(qiáng)電相連，并有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。三、編程簡(jiǎn)單，易于使用plc是面向用戶的設(shè)備，plc的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工

31、程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，因此plc程序的編制采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語(yǔ)言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝知識(shí)就可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。四、功能完善現(xiàn)代plc不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)控制功能，還能完成a/d轉(zhuǎn)換、d/a轉(zhuǎn)換、模擬量處理、高速計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，可以通過(guò)上位計(jì)算進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，使控制水平大為提高。因此，plc具有極強(qiáng)的適用性，能夠很好地滿足各類型控制的需要，是目前工廠中應(yīng)用最廣的自動(dòng)化設(shè)備。五、體積小、維護(hù)操作方便plc體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。plc的輸入/輸出系

32、統(tǒng)能夠直觀地反映現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過(guò)各種方式直觀地控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、i/o點(diǎn)狀態(tài)、異常和電源狀態(tài)等，對(duì)此均有醒目的指示，非常有利于運(yùn)行和維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。2.2.4 plc的工作原理plc通電后，需要對(duì)硬件和軟件做一些初始化工作。為了使plc得輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，初始化后plc要反復(fù)不停地分階段處理各種不同的任務(wù)（見(jiàn)圖2-1），這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。1）讀取輸入在plc的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域來(lái)存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過(guò)程映像寄存器和輸出映像過(guò)程寄存器。在讀取輸入階段，plc把所有外部數(shù)字量輸入電路

33、的1/0狀態(tài)讀入輸入過(guò)程影響寄存器。外接的電路閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過(guò)程映像寄存器為1狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的 輸入點(diǎn)的常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。外接的輸入電路斷開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過(guò)程映像寄存器為0狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)接通。2）執(zhí)行用戶程序plc的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中順序排列。在run模式的程序執(zhí)行階段，如果沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令，cpu從第一條指令開(kāi)始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序。在執(zhí)行指令時(shí)，從i/o映像寄存器或別的位元件的映像寄存器獨(dú)處其i/o狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中，因此，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而

34、變化。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過(guò)程映像寄存器的狀態(tài)，也不會(huì)隨之改變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的讀取輸入階段被讀入。執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)輸入/輸出的存取通常是通過(guò)映像寄存器，而不是實(shí)際的i/o點(diǎn)。這樣做有以下好處：在整個(gè)程序執(zhí)行階段，各輸入點(diǎn)的狀態(tài)點(diǎn)是固定不變的，程序執(zhí)行完后再用輸出過(guò)程映像寄存器的值更新輸出點(diǎn)，使系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。用戶程序讀寫i/o映像寄存器比讀寫i/o點(diǎn)得多，這樣可以提高程序的執(zhí)行速度。3）通信處理在處理通信請(qǐng)求階段，cpu處理從通信接口和智能模塊接收到的信息，例如讀取智能模塊的信息并存放在緩沖區(qū)中，咋適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑿畔魉徒o通信請(qǐng)求方。4

35、）cpu自診斷測(cè)試自診斷測(cè)試包括定期檢查cpu模塊的操作和拓展模塊的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。5）改寫輸出cpu執(zhí)行完用戶程序后，將輸出過(guò)程映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來(lái)。梯形圖中某一位的線圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出過(guò)程映像寄存器為1狀態(tài)，信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出點(diǎn)的線圈“斷電”，對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部負(fù)載斷電，停止工作。當(dāng)cpu的操作模式從run變?yōu)閟top時(shí)，數(shù)字量輸出被置為系統(tǒng)塊中的輸出表定義的狀態(tài)，或保持當(dāng)時(shí)的狀

36、態(tài)，默認(rèn)的設(shè)置是將數(shù)字量輸出清零。6）中斷程序的處理如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時(shí)，cpu停止正常的掃描工作方式，立即執(zhí)行中斷程序，中斷功能可以提高plc對(duì)某些事件的響應(yīng)速度。7）立即i/o處理在程序執(zhí)行過(guò)程在使用立即i/o指令可以直接存取i/o點(diǎn)。用立即i/o指令讀輸入點(diǎn)的值時(shí)，相應(yīng)的輸入過(guò)程映像寄存器的值未被更新。用立即i/o指令來(lái)改寫輸出點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的輸出過(guò)程映像寄存器的值被更新stoprun 圖2-2 plc典型的掃描方式 2.2.5 plc的應(yīng)用領(lǐng)域目前，plc在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大

37、致可歸納為如下幾類。 （1）開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 這是plc最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等（2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（analog）和數(shù)字量（digital）之間的a/d轉(zhuǎn)換及d/a轉(zhuǎn)換。plc廠家都生產(chǎn)配套的a/d和d/a轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （3）運(yùn)動(dòng)控制 plc可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的

38、控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量i/o模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要plc廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。（4）過(guò)程控制 過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型plc都有pid模塊，目前許多小型plc也具有此功能模塊。pid處理一般是運(yùn)行專用的pid子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣

39、泛的應(yīng)用。 （5）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代plc具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 第3章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)件概述本課題機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾、傳送帶等機(jī)械部件組成；電氣方面有plc、傳感器、開(kāi)關(guān)電源、電磁閥、光電開(kāi)關(guān)等電子器

40、件組成，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手完成物料的移動(dòng)等?？删幊炭刂破鞑捎檬堑奈鏖T子s7-200。該裝置從結(jié)構(gòu)上分為機(jī)械手本體單位、plc控制單元、接口單元、電源單元等。1）機(jī)械手本體單元。機(jī)械手本體單元按功能可分為二軸平衡機(jī)構(gòu)、底盤、旋轉(zhuǎn)手臂機(jī)構(gòu)、夾手、限位開(kāi)關(guān)等部件。2）plc 控制單元。本裝置需要18個(gè)輸入點(diǎn)與8個(gè)輸出點(diǎn)，采用西門子cpu226cn ac/dc 繼電器型plc，帶多種電源和控制電壓內(nèi)置數(shù)字量輸入/輸出：24個(gè)輸入和 16 個(gè)輸出。3）電源單元。電源單元是用于提供ac 220v電源 4）限位開(kāi)關(guān)。在此系統(tǒng)中，共用了4個(gè)限位開(kāi)關(guān)：上升限位開(kāi)關(guān)、下降限位開(kāi)關(guān)、左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)和右轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)。限位開(kāi)關(guān)主

41、要是來(lái)控制機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的停止時(shí)刻和位置。5）光電開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。安防系統(tǒng)中常見(jiàn)的光電開(kāi)關(guān)煙霧報(bào)警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來(lái)記數(shù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。6）電磁閥。此系統(tǒng)中機(jī)械手手臂的上升/下降、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)與夾手的松緊都是用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用一個(gè)氣缸、一個(gè)電磁閥就能實(shí)現(xiàn)手臂的上升和下降，相對(duì)于利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降，氣缸控制簡(jiǎn)單方便。氣動(dòng)電磁

42、閥是用來(lái)控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；氣動(dòng)電磁閥并不限于液壓，氣動(dòng)；氣動(dòng)電磁閥用于控制液壓流動(dòng)方向，工廠的機(jī)械裝置一般都由液壓鋼或電磁閥來(lái)控制。在氣路(或液路)上來(lái)說(shuō)，兩位三通電磁閥(見(jiàn)圖3-1)具有1個(gè)進(jìn)氣孔(接進(jìn)氣氣源)、1個(gè)出氣孔(提供給目標(biāo)設(shè)備氣源)、1個(gè)排氣孔(一般安裝一個(gè)消聲器，如果不怕噪音的話也可以不裝)。 兩位五通電磁閥(見(jiàn)圖3-2)具有1個(gè)進(jìn)氣孔(接進(jìn)氣氣源)、1個(gè)正動(dòng)作出氣孔和1個(gè)反動(dòng)作出氣孔(分別提供給目標(biāo)設(shè)備的一正一反動(dòng)作的氣源)、1個(gè)正動(dòng)作排氣孔和1個(gè)反動(dòng)作排氣孔(安裝消聲器)。 對(duì)于小型自動(dòng)控制設(shè)備，氣管一般選用812mm的工業(yè)膠氣管。在電氣上來(lái)說(shuō)，兩位三通

43、電磁閥一般為單電控(即單線圈)，兩位五通電磁閥一般為雙電控(即雙線圈)。線圈電壓等級(jí)一般采用dc24v、ac220v等。 兩位三通電磁閥分為常閉型和常開(kāi)型兩種，常閉型指線圈沒(méi)通電時(shí)氣路是斷的，常開(kāi)型指線圈沒(méi)通電時(shí)氣路是通的。 常閉型兩位三通電磁閥動(dòng)作原理：給線圈通電，氣路接通，線圈一旦斷電，氣路就會(huì)斷開(kāi)，這相當(dāng)于“點(diǎn)動(dòng)”。 常開(kāi)型兩位三通單電控電磁閥動(dòng)作原理：給線圈通電，氣路斷開(kāi)，線圈一旦斷電，氣路就會(huì)接通，這也是“點(diǎn)動(dòng)”。 兩位五通雙電控電磁閥動(dòng)作原理：給正動(dòng)作線圈通電，則正動(dòng)作氣路接通(正動(dòng)作出氣孔有氣)，即使給正動(dòng)作線圈斷電后正動(dòng)作氣路仍然是接通的，將會(huì)一直維持到給反動(dòng)作線圈通電為止。

44、給反動(dòng)作線圈通電，則反動(dòng)作氣路接通(反動(dòng)作出氣孔有氣)，即使給反動(dòng)作線圈斷電后反動(dòng)作氣路仍然是接通的，將會(huì)一直維持到給正動(dòng)作線圈通電為止。圖3-1 二位三通電磁閥圖3-2 二位五通電磁閥7）各種按鈕。急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點(diǎn)，按下后旋轉(zhuǎn)復(fù)位；檔位具均使用旋鈕控制，打到該處即將該工作方式接通；其余按鈕均采用觸點(diǎn)觸發(fā)方式，按下即接通，松開(kāi)即復(fù)位。由于plc的抗干擾能力強(qiáng)，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地完成控制任務(wù)，為了使設(shè)備便于安裝、調(diào)試，以及從經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)出圖3-3 所示的機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖。電氣控制柜工業(yè)機(jī)械手 圖3-3 機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖3.2 系統(tǒng)控制對(duì)象及工藝過(guò)程

45、如圖3-4是通過(guò)傳送帶傳送工件的機(jī)械手工作示意圖。利用機(jī)械手在裝配線上，通過(guò)plc控制機(jī)械手的動(dòng)作，完成取工件及轉(zhuǎn)移工件等工序。圖3-4 機(jī)械手控制示意圖機(jī)械手用來(lái)完成右邊傳送帶a上工件向左邊傳送帶b的轉(zhuǎn)移。按啟動(dòng)按鈕后，傳送帶a運(yùn)行直到光電開(kāi)關(guān)ps檢測(cè)到物體，才停止，同時(shí)機(jī)械手下降，下降到位后機(jī)械手夾緊物件，2s后開(kāi)始上升，而機(jī)械手保持夾緊。上升到位左轉(zhuǎn)（此處以機(jī)械手為主體，定左右）左轉(zhuǎn)到位下降，下降到位機(jī)械手松開(kāi)，2s后機(jī)械手上升。上升到位后，傳送帶b開(kāi)始運(yùn)行，同時(shí)機(jī)械手右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)到位后，傳送帶b停止，此時(shí)傳送帶a運(yùn)行直到關(guān)電開(kāi)關(guān)ps再次檢測(cè)到物體，才停止,如此循環(huán)。機(jī)械手的上升、下降和左

46、轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的執(zhí)行，分別由雙線圈二位電磁閥控制氣缸的運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，若下降電磁閥斷電，機(jī)械手停止下降，保持現(xiàn)有的動(dòng)作狀態(tài)。當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手上升。同時(shí)左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)也是由對(duì)應(yīng)電磁閥控制。夾緊/放松則是由單線圈的兩位電磁閥控制氣缸的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，線圈通電時(shí)執(zhí)行夾緊動(dòng)作，斷電時(shí)執(zhí)行放松動(dòng)作。并且要求只有機(jī)械手處于上限時(shí)才能進(jìn)行左/右移動(dòng)，因此在左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)用上限條件聯(lián)鎖保護(hù)。由于上下運(yùn)動(dòng)，左右轉(zhuǎn)動(dòng)采用雙線圈兩位電磁閥控制，兩線圈不能同時(shí)通電，因此在上/下、左/右運(yùn)動(dòng)的電路中需要設(shè)置互鎖環(huán)節(jié)。 為了保證機(jī)械手動(dòng)作準(zhǔn)確，機(jī)械手安裝了限位開(kāi)關(guān)sq1、sq2、sq3、sq4，分別對(duì)機(jī)

47、械手進(jìn)行下降、上升、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作的限位，并給出動(dòng)作到位的信號(hào)。光電開(kāi)關(guān)ps負(fù)責(zé)檢測(cè)傳送帶a上的工件是否到位，到位后機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作。3.3 控制要求1.實(shí)現(xiàn)將傳送帶a的工件順利搬運(yùn)到傳送帶b。2.為了方便機(jī)械手的位置調(diào)整，設(shè)手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制方式，手動(dòng)時(shí)可完成手臂上升和下降、左移和右移、手爪的抓緊和放松等功能。3.機(jī)械手應(yīng)設(shè)急停按鈕4. 為了保障手爪的抓持及放松可靠，防止手爪抓力過(guò)大或過(guò)小引起軸承的損壞或抓力不足，需要對(duì)抓持力進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。 3.4 方案選擇及系統(tǒng)配置根據(jù)以上控制要求，制定以下控制方案。本系統(tǒng)的輸入開(kāi)關(guān)量為數(shù)字信號(hào)，直接連接plc，plc通過(guò)中間繼電器對(duì)電磁閥加以控制。系統(tǒng)框

48、圖如圖3-5所示右轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)停止按鈕啟動(dòng)按鈕物品檢測(cè)開(kāi)關(guān)下降限位開(kāi)關(guān)夾放檢測(cè)開(kāi)關(guān)上升限位開(kāi)關(guān)左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)p l c上升電磁閥夾放電磁閥右轉(zhuǎn)電磁閥左轉(zhuǎn)電磁閥檔位選擇按鈕下降電磁閥繼電器繼電器繼電器繼電器繼電器傳送帶啟動(dòng)信號(hào)繼電器圖3-5 系統(tǒng)框圖3.5 plc的硬件設(shè)計(jì)3.5.1 plc的選型目前，世界上有200多個(gè)廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的plc生產(chǎn)廠家主要有美國(guó)的ab、通用（ge）、日本的三菱（mitsbishi）、歐姆龍（omron）、德國(guó)的西門子（simens）、法國(guó)的te、韓國(guó)的三星（sumsung）、lg等。本文選擇的是德國(guó)的西門子公司生產(chǎn)的s7200plc。s7200系列

49、plc是西門子公司生產(chǎn)的一種小型plc，其許多功能達(dá)到大、中型plc的水平，而價(jià)格卻和小型plc的一樣，因此它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是s7200cpu22*系列plc，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（hmi）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成plc網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單，其速度快，具有極強(qiáng)的通信能力，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。cpu22*系列plc它有如下五種不同結(jié)構(gòu)的配置單元：1、cpu221，它具有6輸入/4輸出，i/o共計(jì)10點(diǎn)，無(wú)擴(kuò)展能力；2、cpu222，它具有8輸入/6輸出，i/o

50、共計(jì)14點(diǎn)，并可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)展；3、cpu224，它具有14點(diǎn)輸入/10點(diǎn)輸出，i/o點(diǎn)數(shù)共計(jì)24點(diǎn)，它有七個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘；4、cpu226，它具有24輸入/16輸出，i/o共計(jì)40點(diǎn)，與cpu224相比，它增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)；5、cpu226xm，這是西門子公司后推出的一種增強(qiáng)型主機(jī)，它在用戶程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上進(jìn)行了擴(kuò)展，其他指標(biāo)和cpu226相同。當(dāng)cpu的i/o點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí)，就要進(jìn)行i/o的擴(kuò)展。i/o擴(kuò)展包括i/o點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。不同的cpu有不同的擴(kuò)展規(guī)范，它主要受cpu的功能限制。典型的

51、數(shù)字量輸入/輸出擴(kuò)展模塊有：輸入擴(kuò)展模塊em221有兩種：8點(diǎn)dc輸入、8點(diǎn)ac輸入。輸出擴(kuò)展模塊em222有三種：8點(diǎn)dc晶體管輸出、8點(diǎn)ac輸出、8點(diǎn)繼電器輸出。輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊em223有六種：分別為4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）dc輸入/4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）dc輸出、4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）dc輸入/4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）繼電器輸出。本次設(shè)計(jì)中共18個(gè)輸入量，共8個(gè)輸出量，共計(jì)26點(diǎn)，因此選用了采用西門子cpu226cn ac/dc 繼電器型plc，cpu226cn具有24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，i/o點(diǎn)數(shù)共計(jì)40點(diǎn)，它可以有七個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力。3.5.2

52、 i/o的資源配置根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，對(duì)plc進(jìn)行i/o及其他資源的分配，具體分配如下圖3-6及表3-7所示。圖3-6 plc的i/o配置表編號(hào)意義備注m0.5原點(diǎn)標(biāo)志on有效m0.6轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志on有效m0.7連續(xù)標(biāo)志on有效m11.0傳送帶啟動(dòng)與自動(dòng)右轉(zhuǎn)標(biāo)志on有效m11.1傳送帶a啟動(dòng)標(biāo)志on有效m10.1自動(dòng)下降標(biāo)志on有效m10.2自動(dòng)夾緊標(biāo)志on有效m10.3自動(dòng)上升標(biāo)志on有效m10.4自動(dòng)左轉(zhuǎn)標(biāo)志on有效m10.5自動(dòng)下降標(biāo)志on有效m10.6自動(dòng)松開(kāi)標(biāo)志on有效m10.7自動(dòng)上升標(biāo)志on有效m0.0初始化標(biāo)志on有效m1.0 回原點(diǎn)上升標(biāo)志on有效m1.1回原點(diǎn)左轉(zhuǎn)標(biāo)志o

53、n有效m1.2回原點(diǎn)下降標(biāo)志on有效m1.3回原點(diǎn)松開(kāi)標(biāo)志on有效m1.4回原點(diǎn)上升標(biāo)志on有效m1.5回原點(diǎn)右轉(zhuǎn)/傳送帶b標(biāo)志on有效m1.6回原點(diǎn)原位指示標(biāo)志on有效表3-7 機(jī)內(nèi)元件表3.5.3 plc的接線圖圖3-8 plc的i/o接線圖3.5.4 操作面板圖3-9 操作面板3.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.6.1 順序功能圖圖3-10 自動(dòng)程序順序功能圖圖3-11 回原點(diǎn)順序功能圖3.6.2 全程序ob13.6.3 公用程序3.6.4 手動(dòng)程序3.6.5 自動(dòng)程序3.6.6 回原點(diǎn)程序第4章 系統(tǒng)程序調(diào)試4.1 控制系統(tǒng)的程序調(diào)試步驟（1）對(duì)于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要繪制系統(tǒng)流程圖，用以清楚

54、的表明順序和條件。（2）設(shè)計(jì)梯形圖，這是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步，要設(shè)計(jì)好梯形圖，首先十分熟悉控制要求，同時(shí)還要有一定的電氣設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。（3）將程序輸入到plc的用戶存儲(chǔ)器，并查找程序是否正確。（4）對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿意為止。4-2 調(diào)試過(guò)程中注意的事項(xiàng)（1）數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)的接口必須要與軟件的端口保持一致，否則運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生通信錯(cuò)誤問(wèn)題。（2）連接plc上的輸出端口對(duì)應(yīng)的動(dòng)作必須與程序中的輸入輸出點(diǎn)的定義動(dòng)作保持一致。（3）plc上的輸入輸出點(diǎn)都必須接入電源，連接的外部模塊也必須接通電源與接地線 （4）由于條件有限，外部接線模塊中部分用開(kāi)關(guān)代替按鈕，在執(zhí)行點(diǎn)動(dòng)程序注意執(zhí)行完

55、應(yīng)該將開(kāi)關(guān)撥回到停止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于限位開(kāi)關(guān)也用普通開(kāi)關(guān)代替，當(dāng)執(zhí)行完該步程序后，進(jìn)入下一個(gè)步，需要將限位開(kāi)關(guān)撥回off狀態(tài)?？蓞⒄?qǐng)D4-1所示，該圖為機(jī)械手處于夾緊左轉(zhuǎn)的一個(gè)狀態(tài)。 圖4-1 plc硬件的實(shí)物接線圖4-3 系統(tǒng)中調(diào)試結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能有兩項(xiàng)：自動(dòng)運(yùn)行與手動(dòng)運(yùn)行。其中，手動(dòng)功能基本是實(shí)現(xiàn)了，自動(dòng)功能出現(xiàn)程序設(shè)計(jì)基本上沒(méi)有什么問(wèn)題，部分功能運(yùn)行起來(lái)，有些功能在實(shí)現(xiàn)上還需做些優(yōu)化改進(jìn)，部分功能實(shí)現(xiàn)參見(jiàn)以下相關(guān)圖。圖4-2 手動(dòng)程序中下降運(yùn)行圖4-3 自動(dòng)程序中下降運(yùn)行圖4-4 自動(dòng)程序中的傳送帶a啟動(dòng)第五章 結(jié)束語(yǔ)機(jī)械手的控制對(duì)于很多場(chǎng)合需求很大，不論是機(jī)床使用的小型系統(tǒng)還是流水線上的這類設(shè)備，其基本動(dòng)作要求類似，所以控制的實(shí)現(xiàn)也可以相互借鑒。在本篇論文中，機(jī)械手控制系統(tǒng)采用plc進(jìn)行控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量