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基于PLC机械手控制系统设计

摘要： 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

一、机械手简介
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。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
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。
1、机械手分类
机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。
2、机械手控制系统设计步骤
根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的选型。(3)根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。(4)对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。(5)保存已完成的程序。

3、机械手工作过程：
机械手在生产线上的任务是将工件从A处传送到B处。根据外界情况，机械手在空间上主要进行以下动作：机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上升，机械手与工件有右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，机械手左移。控制器检测上，下，左，右限位开关的通断，决定当前的动作，通过驱动系统输出，控制机械手的动作。同时，用两位数码管显示搬运工件的数量。
（1） 启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。
原位 下降 夹紧 上升 右移

左移 上移 放松 下降

二、 PLC简介
可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示：

三、1、I/O配置表
共需十二个数字输入点，一个数字输出点，七个模拟量输出点。

主机
模块1
模块2
模块3
模块4
CPU226
2AQ
2AQ
2AQ
2AQ
I0.0 Q0.0
AQW0
AQW4
AQW8
AQW12
I0.1
AQW2
AQW6
AQW10
AQW14
I0.2

I0.3

I0.4

I0.5

I0.6

I0.7

I1.0

I1.1

I1.2

I1.3

S7-200中的CPU226的最大负载电流为1000mA，四个EM232模块的负载电流为80mA，符合要求。
机械手传送系统输入和输出点分配表
名 称
代号
输入
名 称
代号
输入
名 称
代号
输出
启动
SB1
X0.1
自动操作
SB5
X1.0
电磁阀下降
YV1
Y0
下限行程
SQ1
X0.1
单步
SB6
X1.1
电磁阀夹紧
YV2
Y1
上限行程
SQ2
X0.2
调试
SB7
X1.2
电磁阀上升
YV3
Y2
右限行程
SQ3
X0.3
回复
SB8
X1.3
电磁阀右行
YV4
Y3
左限行程
SQ4
X0.4

电磁阀左行
YV5
Y4
停止
SB2
X0.5

上行灯指示
EL1
Y5
手动操作
SB3
X0.6

下行灯指示
EL2
Y6
半自动操作
SB4
X0.7

数字指示
EL3
Y7
2、选型
S7-200丰富的种类：
·CPU221：内置10个数字量I/O点，不可扩充；
·CPU222：内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O；
·CPU224：内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O；
·CPU226：内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O；
主机为S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道。电源为220V交流电。
主机为西门子S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道，能够满足需要。电源为220V交流电。选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
3、PLC的输入输出端子分配接线图

四、机械手的PLC控制
1、控制特点
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。
2、系统控制示意图
机械手传送工件系统示意图，如图1所示

图1 机械手传送示意及操作面板
3、原理接线图

4、操作系统
操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。

其原理是：
把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。

5、回原位程序
回原位程序如图4所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。

6、手动单步操作程序　
如图5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。

7、自动操作程序
自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。
移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。
在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。

8、机械手传送系统梯形图
如图7所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。
回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。

五、态软件界面
1、 原位

2、运行中
（上行、下行灯绿色为有效）
3、PLC与组态软件的连接

组态软件与PLC的连接使用的是设备目录下的DDE，再从DDE中选PLC，PLC 为西门子系列中的S7-200系列中的PPI方式。

4、运行程序

if (运行标志==1)
{
if (次数>=0&&次数<50)
{
下移信号=1;
机械手y=机械手y+2;
次数=次数+1;
}
if (次数>=50&&次数<70)
{
下移信号=0;
加紧信号=1;
左爪=左爪+1/21*5;
右爪=右爪-1/21*5;
次数=次数+1;
}
if (次数>=70&&次数<120)
{
加紧信号=0;
上移信号=1;
机械手y=机械手y-2;
工件y=工件y-2;
次数=次数+1;
}
if (次数>=120&&次数<220)
{
上移信号=0;
右移信号=1;
机械手x=机械手x+1;
工件x=工件x+1;
左爪=左爪+20/21;
右爪=右爪+20/21;
次数=次数+1;
}
if (次数>=220&&次数<270)
{
右移信号=0;
下移信号=1;
机械手y=机械手y+2;
工件y=工件y+2;
次数=次数+1;
}
if (次数>=270&&次数<290)
{
下移信号=0;
放松信号=1;
左爪=左爪-1/21*5;
右爪=右爪+1/21*5;
次数=次数+1;
}
if (次数>=290&&次数<340)
{
放松信号=0;
上移信号=1;
机械手y=机械手y-2;
次数=次数+1;
}
if (次数>=340&&次数<440)
{
上移信号=0;
左移信号=1;
机械手x=机械手x-1;
左爪=左爪-20/21;
右爪=右爪-20/21;
次数=次数+1;
}
if (次数==440)
{
左移信号=0;
次数=0;
工件x=0;
工件y=100;
\\本站点\左爪=0;
\\本站点\右爪=10/210*100;
if (停止标志==1)
{
停止标志=0;
运行标志=0;
}
}
}

5.操作面板
上行
下行
调试
回复
单步
半自动
自动
手动
自动

（面板中有上行、下行指示灯，数字计算单位，档位开关，单步按钮。）

六、实习总结
近年来，机械手在自动化领域的应用越来越广泛，机械手具有结构简单、造价较低、维护方便、速度快等特点。本系统就是通过应用西门子S7-200系列PLC控制气动机械手的运行。通过这次对PLC控制，让我了解了plc梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。
这次的实训给予了我不同的学习方法和体验，让我深切的认识到实践的重要性。在以后的学习过程中，我会更加注重自己的操作能力和应变能力。
通过这次的实习，对之前学习的理论知识有了更深一步的理解，对自己的专业及其应用有了进一步的认识，同时这次实习也为自己以后的工作有了一个全面的认识。