可编程控制器课程设计--机械手控制

　　摘要

　　随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。

　　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。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。本次设计采用德国西门子公司生产的S7-300/400系列可编程控制器对机械手进行运动控制，根据机械手的运动规律：左／右、上／下、夹／松等进行软件编程。

　　本设计中PLC实现的功能有：开关量的逻辑控制、运动控制、现场数据采集处理、位置控制等。此次机械手的PLC控制设计包括：机械手传送工件系统、输入和输出点分配表、原理接线图、操作系统、机械手传送系统梯形图、指令语句表。 首先，机械手传送工件系统通过示意图阐述了其作用是将工件从Ａ点传递到Ｂ点。机械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动液压缸来完成，机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的液压缸完成。机械手的工作臂都设有下、上限位和右、左限位的位置开关SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边的状态为机械手的原位。这里还说明了操作面板上各旋钮、按钮的作用。

　　其次，输入和输出点分配表指出此次设计选用S7-300PLC，系统共有14个输入设备和5个输出设备分别占用PLC的14个输入点和5个输出点。具体分配请查看表1。

　　机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，机械手在工业生产中得到广泛的应用。传统工艺中采用继电器控制时，需要的继电器多，线复杂，因此故障多，维修困难，费时费工，不仅加大了成本，而且影响设备的工效。采用梯形控制直观易懂，为电气人员所熟悉；采用PLC控制使接线简化，安装方便，而且保证运行的可靠性，减少维修量，提高了工效。

　　关键字：PLC 机械手控制 S7-300/400

　　1 电气工艺分析

　　1.1 工艺过程

　　图1所示为一简单物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从A工作台搬运到B工作台，由光耦合器VLC来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点，它的动作全部由汽缸驱动，而汽缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。

　　图1 搬运机械手工艺流程图

　　工艺过程为：光耦合器VLC检测到A工作台有工件，机械手开始有原点下降，下降到底时，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件。为保证工件可靠夹紧，在该位置等待2s。夹紧后，上升电磁阀通电开始上升，上升到顶碰到上限位开关，停止上升，改向右移动，碰到右限位开关后，停止右移，改为下降至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在B工作台上，为确保可靠松开，在该位置停留2s，然后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手搬运一个工件的全过程结束。

　　1.2 控制要求

　　机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制（又称单周期控制），以便对设备进行调整和检修。图2是机械手控制系统的逻辑流程图。机械手搬运工件的一个周期可分为以下八个部分。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位、左位。

　　（1）机械手下降 当光耦合器VLC检测到工作台A上有工件，机械手开始下降。下降到低位时，碰到下限位开关，机械手停止下降。

　　（2）夹紧工件 机械手在最低位开始夹紧工件，延时2s抓住、抓紧。

　　（3）机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升

　　（4）机械手右移 机械手右移到位时，碰到右限位开关，停止右移。

　　（5）机械手下降 当机械手下降到B时，碰到下限位开关，机械手停止下降。

　　（6）放开工件 机械手在最低位开始放松工件，延时2s。

　　（7）机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。

　　（8）机械手左移 机械手在高位开始左移，碰到左限位开关，停止左移。

　　机械手工作的一个周期完成，等待工件在工作台A上出现再转到第一步，开始下一个工作循环。

　　2 .硬件配置

　　在控制方式选择上需要3个启动按钮，分别完成自动方式、单动方式和手动方式的启动，还需要一个按钮用来处理任何情况下的停止运行。机械手运动的限位开关有4个：高限位开关、低限位开关、左限位开关和右限位开关。手动输入信号共由5个按钮组成：下降按钮、上升按钮、夹紧按钮、左移按扭和右移按钮。工作台A上有工件检测光耦合器VLC的输入信号，共有14个数字量输入信号。输出信号有机械手下降驱动信号、上升驱动信号、右移驱动信号、左移驱动信号和机械手夹紧信号，共有5个数字量输出信号。

　　系统需要数字量输入14点，数字量输出5点，不需要模拟量模块。选择S7-300系列的CPU313，加上数字量输入模块SM321及输出模块SM322就可以满足要求，而且还有一定的裕量。

　　3 .I/O地址分配

　　3.1 基本地址分配表

　　将14个输入信号、5个输出信号按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O端一一对应，编排好地址。列出外部I/O信号与PLC I/O端地址编号对照表。

　　表1 I/O地址分配表

　　3.2 其他地址分配

　　（1）夹紧定时器T1，定时2s；

　　（2）放松定时器T2，定时2s；

　　（3）自动方式标志M0.0；

　　（4）单动方式标志M0.1；

　　（5）手动方式标志M0.2；

　　（6）结束标志M0.5。

　　3.3 外部接线

　　S7-300 CPU

　　+24 V

　　图2 PLC外部接线图

　　4 .系统流程图

　　图3 系统流程图

　　5 .机械手梯形图程序设计

　　5.1逻辑功能块

　　5.1.1自动方式或单动方式控制（FC1）的具体程序

　　网络1：启动机械手下降

　　I0.4 I0.6 I1.5 Q4.1 M1.1 Q4.0

　　( p ) ( s )

　　网络2：机械手下降到位，停止下降并启动夹紧控制

　　网络3：机械手夹紧并启动夹紧定时器，定时2s

　　网络4：定时时间到，并且机械手没有下降时，启动上升

　　网络5：机械手上升到位，停止上升并启动右移控制

　　网络6：机械手右移到位，停止右移并启动下降控制

　　网络7：机械手下降到位，停止下降并启动松开控制

　　网络8：机械手松开并启动松开定时器，定时2s

　　网络9：定时时间到，并且机械手没有下降时启动上升控制

　　T2 I0.7 I0.5 Q4.0 M1.3 Q4.1

　　( P ) ( S )

　　网络10：机械手上升到位，停止上升并启动左移控制

　　网络11：机械手左移到位停止，M0.1=0，以阻止单动

　　5.1.2手动方式控制（FC2）的具体程序

　　网络1：手动下降

　　网络2：手动夹紧，采用置位和复位方式使夹紧后不允许松开

　　网络3：手动上升

　　网络4：手动右移

　　网络5：手动下降

　　网络6：手动放松

　　网络7：手动左移

　　5.2组织块

　　组织块OB1用于设定机械手启动方式，主要负责功能块或子程序的调用是自动运行还是单动运行，以及系统的循环扫描、故障诊断和输出刷新。

　　网络1：自动方式启动M0.0=1，有自锁

　　网络2：M0.1=1，单动有效

　　网络3：单动方式启动M0.1=1，有自锁

　　网络4：自动方式或单动方式均调用子程序FC1

　　网络5：手动方式启动M0.2=1，有自锁

　　网络6：手动方式调用子程FC2

　　网络7：停止处理

　　网络8：错误操作处理

　　6 .指令设计

　　6.1逻辑功能块

　　6.1.1自动方式或单动方式控制（FC1）的具体程序

　　网络1：启动机械手下降

　　A I 0.4

　　A I 0.6

　　A I 1.5

　　AN Q 4.1

　　FP M 1.1

　　S Q 4.0

　　网络2：机械手下降到位，停止下降并启动夹紧控制

　　A Q 4.0

　　A I 0.6

　　A I 0.5

　　FP M 1.2

　　R Q 4.0

　　S Q 4.4

　　网络3：机械手夹紧并启动夹紧定时器，定时2s

　　A Q 4.4

　　A I 0.6

　　A I 0.5

　　AN Q 4.1

　　L S5T#2S

　　SD T 1

　　网络4：定时时间到，并且机械手没有下降时，启动上升

　　A T 1

　　A I 0.6

　　A I 0.5

　　AN Q 4.0

　　P M 1.3

　　S Q 4.1

　　网络5：机械手上升到位，停止上升并启动右移控制

　　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

　　网络6：机械手右移到位，停止右移并启动下降控制

　　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

　　网络7：机械手下降到位，停止下降并启动松开控制

　　A Q 4.0

　　A I 0.7

　　A I 0.5

　　FP M 1.2

　　R Q 4.0

　　A Q 4.4

　　网络8：机械手松开并启动松开定时器，定时2s

　　AN Q 4.4

　　A I 0.7

　　A I 0.5

　　AN Q 4.1

　　L S5T#2s

　　SD T 2

　　网络9：定时时间到，并且机械手没有下降时启动上升控制

　　A T 2

　　A I 0.7

　　A I 0.5

　　AN Q 4.0

　　FP M 1.3

　　S Q 4.1

　　网络10：机械手上升到位，停止上升并启动左移控制

　　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

　　网络11：机械手左移到位停止，M0.1=0，以阻止单动

　　A Q 4.3

　　A I 0.4

　　A I 0.6

　　FP M 1.0

　　R M 0.1

　　R Q 4.3

　　6.1.2手动方式控制（FC2）的具体程序

　　网络1：手动下降

　　A I 1.0

　　A I 0.5

　　R Q 4.0

　　网络2：手动夹紧，采用置位和复位方式使夹紧后不允许松开

　　A I 1.2

　　A I 0.6

　　A I 0.5

　　FP M 1.2

　　S Q 4.4

　　网络3：手动上升

　　A I 1.1

　　AN I 0.4

　　= Q 4.1

　　网络4：手动右移

　　A I 1.1

　　AN I 0.7

　　= Q 4.1

　　网络5：手动下降

　　A I 1.0

　　AN I 0.5

　　= Q 4.2

　　网络6：手动放松

　　AN I 1.2

　　A I 0.7

　　A M 1.2

　　FP Q 4.4

　　S I 0.5

　　网络7：手动左移

　　A I 1.3

　　AN I 0.6

　　= Q 4.3

　　6.2组织块

　　组织块OB1用于设定机械手启动方式，主要负责功能块或子程序的调用是自动运行还是单动运行，以及系统的循环扫描、故障诊断和输出刷新。其语句表程序如下：

　　网络1：自动方式启动M0.0=1，有自锁

　　A(

　　A I 0.0

　　AN M 0.1

　　O M 0.0

　　)

　　AN I 0.3

　　S M 0.0

　　网络2：M0.1=1，单动有效

　　A I 0.1

　　AN M 0.0

　　S M 0.1

　　网络3：单动方式启动M0.1=1，有自锁

　　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

　　网络4：自动方式或单动方式均调用子程序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

　　网络5：手动方式启动M0.2=1，有自锁

　　A(

　　O I 0.2

　　O M 0.2

　　)

　　FP M 1.1

　　A I 0.3

　　S M 0.2

　　网络6：手动方式调用子程FC2

　　A M 0.2

　　AN M 0.0

　　AN M 0.1

　　AN M 0.5

　　CC FC 2

　　网络7：停止处理

　　A I 0.3

　　S M 0.5

　　网络8：错误操作处理

　　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 0.5

　　7. 软件仿真

　　8 .心得体会

　　在本次设计过程中，使我受益匪浅，使我从其中学到了很多的东西。可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。通过这次的课程设计，使自己的编程能力有了进一步提高，同时也包括STEP-7软件的运用能力，作为一名即将到现场工作的的学生，软件的运用能力和编程能力是必需掌握的技术，此次设计为我们提供了一个平台，有助于我们更进一步的了解现场，为日后走上工作岗位夯实了基础。这次设计，提高了我的动手和动脑能力，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。

　　9.参考文献

　　[1] 贾石峰编著.现代电气控制及PLC应用.兰州:兰州大学出版社，2006

　　[2] 张万忠编著.现代电气控制及PLC控制技术.北京:人民邮电出版社，1999

　　[3] 张浩风编著.PLC梯形图设计方法与应用实例.北京:机械工业出版社，2008

　　[4] 可编程序控制器应用技术(第四版)  廖常初   重庆大学出版社

　　[5] 可编程序控制器原理及应用技巧  何衍庆  戴自详  化学工业出版社