可編程控制器課程設計 機械手控制

1、 摘要隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機械手技術(shù)快速發(fā)展，其中氣動機械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動機械手有氣控機械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機械部分組成。主要作用是完成機械部件的搬運工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。機械手技術(shù)涉及到力學、機械學、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)

2、域，是一門跨學科綜合技術(shù)。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。本次設計采用德國西門子公司生產(chǎn)的S7-300/400系列可編程控制器對機械手進行運動控制，根據(jù)機械手的運動規(guī)律：左右、上下、夾松等進行軟件編程。本設計中PLC實現(xiàn)的功能有：開關(guān)量的邏輯控制、運動控制、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理、位置控制等。此次機械手的PLC控制設計包括：機械手傳送工件系統(tǒng)、輸入和輸出點分配表、原理接線圖、操作系統(tǒng)、機械手傳送系統(tǒng)梯形圖、指令語句表。 首先，機械手傳送工件系統(tǒng)通過示意圖闡述了其作用是將工件從點傳遞到點。機械手的升降和左右移行作分別由兩個具有雙線圈的兩位電磁閥驅(qū)動液壓缸來完成，機械手的夾緊、松

3、開的動作由只有一個線圈的兩位電磁閥驅(qū)動的液壓缸完成。機械手的工作臂都設有下、上限位和右、左限位的位置開關(guān)SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夾持裝置不帶限位開關(guān)，它是通過一定的延時來表示其夾持動作的完成。機械手在最上面、最左邊的狀態(tài)為機械手的原位。這里還說明了操作面板上各旋鈕、按鈕的作用。其次，輸入和輸出點分配表指出此次設計選用S7-300PLC，系統(tǒng)共有14個輸入設備和5個輸出設備分別占用PLC的14個輸入點和5個輸出點。具體分配請查看表1。機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置，機械手在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用。傳統(tǒng)工藝中采

4、用繼電器控制時，需要的繼電器多，線復雜，因此故障多，維修困難，費時費工，不僅加大了成本，而且影響設備的工效。采用梯形控制直觀易懂，為電氣人員所熟悉；采用PLC控制使接線簡化，安裝方便，而且保證運行的可靠性，減少維修量，提高了工效。 關(guān)鍵字：PLC 機械手控制 S7-300/4001 電氣工藝分析1.1 工藝過程 圖1所示為一簡單物料搬運機械手的工藝流程圖。該機械手是一個水平/垂直位移的機械設備，其操作是將工件從A工作臺搬運到B工作臺，由光耦合器VLC來檢測工作臺上有沒有工件。機械手通常位于原點，它的動作全部由汽缸驅(qū)動，而汽缸則由相應的電磁閥控制。其中，上升/下降和左移/右移分別由雙線圈二位電磁

5、閥，放松/夾緊由一個單線圈二位電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。圖1 搬運機械手工藝流程圖工藝過程為：光耦合器VLC檢測到A工作臺有工件，機械手開始有原點下降，下降到底時，碰到下限位開關(guān)后，停止下降并接通夾緊電磁閥夾緊工件。為保證工件可靠夾緊，在該位置等待2s。夾緊后，上升電磁閥通電開始上升，上升到頂碰到上限位開關(guān)，停止上升，改向右移動，碰到右限位開關(guān)后，停止右移，改為下降至碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降，同時夾緊電磁閥斷電，機械手將工件松開，放在B工作臺上，為確?？煽克砷_，在該位置停留2s，然后上升，碰到上限位開關(guān)后改為左移，到原點時碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，停止左移。至此，機械

6、手搬運一個工件的全過程結(jié)束。1.2 控制要求 機械手整個搬運過程要求都能自動控制。在啟動過程中能切換到手動控制及自動控制或半自動控制（又稱單周期控制），以便對設備進行調(diào)整和檢修。圖2是機械手控制系統(tǒng)的邏輯流程圖。機械手搬運工件的一個周期可分為以下八個部分。系統(tǒng)啟動之前，機械手處于原始位置，條件是機械手在高位、左位。 （1）機械手下降 當光耦合器VLC檢測到工作臺A上有工件，機械手開始下降。下降到低位時，碰到下限位開關(guān)，機械手停止下降。 （2）夾緊工件 機械手在最低位開始夾緊工件，延時2s抓住、抓緊。 （3）機械手上升 機械手上升到高位時，碰到上限位開關(guān)，停止上升 （4）機械手右移 機械手右移到

7、位時，碰到右限位開關(guān)，停止右移。 （5）機械手下降 當機械手下降到B時，碰到下限位開關(guān)，機械手停止下降。 （6）放開工件 機械手在最低位開始放松工件，延時2s。 （7）機械手上升 機械手上升到高位時，碰到上限位開關(guān)，停止上升。 （8）機械手左移 機械手在高位開始左移，碰到左限位開關(guān)，停止左移。機械手工作的一個周期完成，等待工件在工作臺A上出現(xiàn)再轉(zhuǎn)到第一步，開始下一個工作循環(huán)。 2 .硬件配置在控制方式選擇上需要3個啟動按鈕，分別完成自動方式、單動方式和手動方式的啟動，還需要一個按鈕用來處理任何情況下的停止運行。機械手運動的限位開關(guān)有4個：高限位開關(guān)、低限位開關(guān)、左限位開關(guān)和右限位開關(guān)。手動輸入

8、信號共由5個按鈕組成：下降按鈕、上升按鈕、夾緊按鈕、左移按扭和右移按鈕。工作臺A上有工件檢測光耦合器VLC的輸入信號，共有14個數(shù)字量輸入信號。輸出信號有機械手下降驅(qū)動信號、上升驅(qū)動信號、右移驅(qū)動信號、左移驅(qū)動信號和機械手夾緊信號，共有5個數(shù)字量輸出信號。系統(tǒng)需要數(shù)字量輸入14點，數(shù)字量輸出5點，不需要模擬量模塊。選擇S7-300系列的CPU313，加上數(shù)字量輸入模塊SM321及輸出模塊SM322就可以滿足要求，而且還有一定的裕量。3 .I/O地址分配3.1 基本地址分配表將14個輸入信號、5個輸出信號按各自的功能類型分好，并與PLC的I/O端一一對應，編排好地址。列出外部I/O信號與PLC

9、I/O端地址編號對照表。表1 I/O地址分配表數(shù)字量輸入模塊SM321 地址號說明數(shù)字量輸出模塊SM322地址號說明自動啟動I0.0按鈕下降Q4.0電磁閥單動啟動I0.1按鈕上升Q4.1電磁閥手動啟動I0.2按鈕左移Q4.2電磁閥停止I0.3按鈕右移Q4.3電磁閥高位I0.4限位開關(guān)夾緊Q4.4電磁閥低位I0.5限位開關(guān)左位I0.6限位開關(guān)右位I0.7限位開關(guān)手動下降I1.0按鈕手動上升I1.1按鈕手動夾緊I1.2按鈕手動左移I1.3按鈕手動右移I1.4按鈕A臺有工作I1.5電耦合器3.2 其他地址分配（1）夾緊定時器T1，定時2s；（2）放松定時器T2，定時2s；（3）自動方式標志M0.0；

10、（4）單動方式標志M0.1；（5）手動方式標志M0.2； （6）結(jié)束標志M0.5。3.3 外部接線 S7-300 CPU 電磁閥I0.0 Q4.0 I0.2 I0.3I0.3 Q4.1I0.4 I0.5I0.6 Q4.2I0.7I1.0I1.1 Q4.3I1.2 I1.3I1.4 Q4.4I1.5M 電磁閥 電磁閥電磁閥電磁閥 +24 V 圖2 PLC外部接線圖4 .系統(tǒng)流程圖圖3 系統(tǒng)流程圖 5 .機械手梯形圖程序設計5.1邏輯功能塊5.1.1自動方式或單動方式控制（FC1）的具體程序網(wǎng)絡1：啟動機械手下降 I0.4 I0.6 I1.5 Q4.1 M1.1 Q4.0 ( p ) ( s )網(wǎng)

11、絡2：機械手下降到位，停止下降并啟動夾緊控制網(wǎng)絡3：機械手夾緊并啟動夾緊定時器，定時2s網(wǎng)絡4：定時時間到，并且機械手沒有下降時，啟動上升網(wǎng)絡5：機械手上升到位，停止上升并啟動右移控制網(wǎng)絡6：機械手右移到位，停止右移并啟動下降控制網(wǎng)絡7：機械手下降到位，停止下降并啟動松開控制網(wǎng)絡8：機械手松開并啟動松開定時器，定時2s網(wǎng)絡9：定時時間到，并且機械手沒有下降時啟動上升控制 T2 I0.7 I0.5 Q4.0 M1.3 Q4.1 ( P ) ( S )網(wǎng)絡10：機械手上升到位，停止上升并啟動左移控制網(wǎng)絡11：機械手左移到位停止，M0.1=0，以阻止單動5.1.2手動方式控制（FC2）的具體程序網(wǎng)絡

12、1：手動下降網(wǎng)絡2：手動夾緊，采用置位和復位方式使夾緊后不允許松開網(wǎng)絡3：手動上升網(wǎng)絡4：手動右移網(wǎng)絡5：手動下降網(wǎng)絡6：手動放松網(wǎng)絡7：手動左移5.2組織塊組織塊OB1用于設定機械手啟動方式，主要負責功能塊或子程序的調(diào)用是自動運行還是單動運行，以及系統(tǒng)的循環(huán)掃描、故障診斷和輸出刷新。網(wǎng)絡1：自動方式啟動M0.0=1，有自鎖網(wǎng)絡2：M0.1=1，單動有效網(wǎng)絡3：單動方式啟動M0.1=1，有自鎖網(wǎng)絡4：自動方式或單動方式均調(diào)用子程序FC1網(wǎng)絡5：手動方式啟動M0.2=1，有自鎖網(wǎng)絡6：手動方式調(diào)用子程FC2網(wǎng)絡7：停止處理網(wǎng)絡8：錯誤操作處理6 .指令設計6.1邏輯功能塊6.1.1自動方式或單動

13、方式控制（FC1）的具體程序網(wǎng)絡1：啟動機械手下降 A I 0.4 A I 0.6 A I 1.5 AN Q 4.1 FP M 1.1 S Q 4.0網(wǎng)絡2：機械手下降到位，停止下降并啟動夾緊控制 A Q 4.0 A I 0.6 A I 0.5 FP M 1.2 R Q 4.0 S Q 4.4網(wǎng)絡3：機械手夾緊并啟動夾緊定時器，定時2s A Q 4.4 A I 0.6 A I 0.5 AN Q 4.1 L S5T#2S SD T 1網(wǎng)絡4：定時時間到，并且機械手沒有下降時，啟動上升 A T 1 A I 0.6 A I 0.5 AN Q 4.0 P M 1.3 S Q 4.1網(wǎng)絡5：機械手上升到

14、位，停止上升并啟動右移控制 A Q 4.1 A I 0.6 A I 0.4 = L 0.0 A L 0.0 BLD 102 R Q 4.1 A L; 0.0 AN Q 4.3 FP M 1.4 S Q 4.2網(wǎng)絡6：機械手右移到位，停止右移并啟動下降控制 A Q 4.2 A I 0.4 A I 0.7 = L 0.0 A L 0.0 BLD 102 R Q 4.2 A L 0.0 AN Q 4.1 FP M 1.1 S Q 4.0網(wǎng)絡7：機械手下降到位，停止下降并啟動松開控制 A Q 4.0 A I 0.7 A I 0.5 FP M 1.2 R Q 4.0 A Q 4.4網(wǎng)絡8：機械手松開并啟

15、動松開定時器，定時2s AN Q 4.4 A I 0.7 A I 0.5 AN Q 4.1 L S5T#2s SD T 2網(wǎng)絡9：定時時間到，并且機械手沒有下降時啟動上升控制 A T 2 A I 0.7 A I 0.5 AN Q 4.0 FP M 1.3 S Q 4.1網(wǎng)絡10：機械手上升到位，停止上升并啟動左移控制 A Q 4.1 A I 0.7 A I 0.4 = L 0.0 A L 0.0 BLD 102 R Q 4.1 A L 0.0 AN Q 4.2 FP M 1.5 S Q 4.3網(wǎng)絡11：機械手左移到位停止，M0.1=0，以阻止單動 A Q 4.3 A I 0.4 A I 0.6

16、 FP M 1.0 R M 0.1 R Q 4.36.1.2手動方式控制（FC2）的具體程序網(wǎng)絡1：手動下降 A I 1.0 A I 0.5 R Q 4.0網(wǎng)絡2：手動夾緊，采用置位和復位方式使夾緊后不允許松開 A I 1.2 A I 0.6 A I 0.5 FP M 1.2 S Q 4.4網(wǎng)絡3：手動上升 A I 1.1 AN I 0.4 = Q 4.1網(wǎng)絡4：手動右移 A I 1.1 AN I 0.7 = Q 4.1網(wǎng)絡5：手動下降 A I 1.0 AN I 0.5 = Q 4.2 網(wǎng)絡6：手動放松 AN I 1.2 A I 0.7 A M 1.2 FP Q 4.4 S I 0.5網(wǎng)絡7：

17、手動左移 A I 1.3 AN I 0.6 = Q 4.3 6.2組織塊組織塊OB1用于設定機械手啟動方式，主要負責功能塊或子程序的調(diào)用是自動運行還是單動運行，以及系統(tǒng)的循環(huán)掃描、故障診斷和輸出刷新。其語句表程序如下：網(wǎng)絡1：自動方式啟動M0.0=1，有自鎖 A( A I 0.0 AN M 0.1 O M 0.0 ) AN I 0.3 S M 0.0網(wǎng)絡2：M0.1=1，單動有效 A I 0.1 AN M 0.0 S M 0.1網(wǎng)絡3：單動方式啟動M0.1=1，有自鎖 A( A I 0.1 AN M 0.0 O A M 0.1 A M 0.3 ) AN I 0.3 S M 0.1網(wǎng)絡4：自動方

18、式或單動方式均調(diào)用子程序FC1 A( A M 0.0 A M 0.1 O A M 0.1 A M 0.0 ) A M 0.2 A M 0.5 CC FC 1網(wǎng)絡5：手動方式啟動M0.2=1，有自鎖 A( O I 0.2 O M 0.2 ) FP M 1.1 A I 0.3 S M 0.2網(wǎng)絡6：手動方式調(diào)用子程FC2 A M 0.2 AN M 0.0 AN M 0.1 AN M 0.5 CC FC 2網(wǎng)絡7：停止處理 A I 0.3 S M 0.5網(wǎng)絡8：錯誤操作處理 A I 0.0 AN I 0.1 O A I 0.0 A I 0.2 O A I 0.1 A I 0.2 S M 0.57. 軟件仿真 8 .心得體會在本次設計過程中，使我受益匪淺，使我從其中學到了很多的東西。可編程控制器是繼電器控制和計算機控制出上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成以微器處理為核心把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。通過這次的課程設計，使自己的編程能力有了進一步提高，同時也包括STEP-7軟件的運用能力，作為一名即將到現(xiàn)場工作的的學生，軟件的運用能力和編程能力是必需掌握的技術(shù)，此次設計為我們提供了一個平臺，有助于我們更進一步的了解現(xiàn)場，為日后走上工作