基于PLC机械手控制新版系统标准设计.doc

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一个高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人一个关键分支。她特点是能够经过编程来完成多种预期作业，在结构和性能上兼有些人和机器各自优点，尤其表现在人智能和适应性。机械手作业正确性和环境中完成作业能力，在国民经济领域有着广泛发展空间。
机械手发展是因为它主动作用正日益为大家所认识：其一、它能部分替换人工操作；其二、它能根据生产工艺要求，遵照一定程序、时间和位置来完成工件传送和装卸；其三、它能操作必需机具进行焊接和装配，从而大大改善了工人劳动条件，显著提升了劳动生产率，加紧实现工业生产机械化和自动化步伐。所以，受到很多国家重视，投入大量人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音和带有放射性和污染场所，应用更为广泛。在中国近几年也有较快发展，而且取得一定效果，受到机械工业。
机械手是一个能自动控制并可从新编程以变动多功效机器，她有多个自由度，能够搬运物体以完成在不一样环境中工作。
机械手结构形式开始比较简单，专用性较强。 伴随工业技术发展，制成了能够独立按程序控制实现反复操作，适用范围比较广“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。因为通用机械手能很快改变工作程序，适应性较强，所以它在不停变换生产品种中小批量生产中取得广泛引用。

一、机械手介绍
工业机械手是近几十年发展起来一个高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人一个关键分支。它特点是可经过编程来完成多种预期作业任务，在结构和性能上兼有些人和机器各自优点，尤其表现了人智能和适应性。机械手作业正确性和多种环境中完成作业能力，在国民经济各领域有着宽广发展前景。
机械手技术包含到力学、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
机械手通常分为三类。第一类是不需要人工操作通用机械手，它是一个独立不隶属于某一主机装置。它能够依据任务需要编制程序，以完成各项要求工作。它特点是除含有一般机械物理性能外，还含有通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是经过操作机来完成特定作业，以后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，关键隶属于自动机床或自动线上，用于处理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，由主机驱动，除少数外，工作程序通常是固定，所以是专用。
本项目要求设计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。经过此次设计，能够增强对工业机械手认识，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见技术。
2、机械手控制系统设计步骤
依据工艺要求确定被控系统必需完成动作,确定这些动作之间关系及完成这些动作次序。(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC,哪些外围设备是接收来自PLC信号,同时还要将PLC输入、输出点和之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC选型。(3)依据控制系统控制要求和所选PLCI/O点情况及高功效模块情况,设计PLC用户程序,此时可采取梯形田、助记符或步骤图语言形式用户程序。PLC用户程序表现了根据正确次序所要求全部功效及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC工作状态、特殊功效进行设定。(4)对所设计PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求控制功效。(5)保留已完成程序。

3、机械手工作过程：
机械手在生产线上任务是将工件从A处传送到B处。依据外界情况，机械手在空间上关键进行以下动作：机械手下降，机械手抓紧工件，机械手和工件上升，机械手和工件有右移，机械手和工件下降，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，右限位开关通断，决定目前动作，经过驱动系统输出，控制机械手动作。同时，用两位数码管显示搬运工件数量。
（1） 开启控制有2种，1个由开启开关安装在现场，1个由经过组态王软件控制。在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包含调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡操作必需在回原位基础上才能进行。
原位 下降 夹紧 上升 右移

左移 上移 放松 下降

二、 PLC介绍
可编程控制器（简称PLC）：是一个数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采取一类可编程存放器，用于其内部存放程序，实施逻辑运算,次序控制，定时，计数和算术操作等面向用户指令，并经过数字或模拟式输入/输出控制多种类型机械或生产过程。
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，并将这个变换和以物理实现。输入输出变换、物理实现能够说是PLC实施控制两个基础点，同时物理实现也是PLC和一般微机相区分之处，其需要考虑实际控制需要，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水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采取了经典计算机结构，关键是由微处理器（CPU）、存放器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC基础结构以下图所表示：

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CPU226最大负载电流为1000mA，四个EM232模块负载电流为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
开启
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CPU226，因为她能扩展七个模块。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CPU226，因为她能扩展七个模块。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，应同时考虑应用可扩展性、可操作性、投入产出比等原因，进行比较和兼顾，最终选出较满意产品。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费用。当点数增加到某一数值后，对应存放器容量、机架、母板等也要对应增加，估所以，点数增加对CPU选择、存放器容量、控制功效范围等选择全部有影响，在算和选择时应充足考虑，使整个控制系统有较合理性能价格比。
3、PLC输入输出端子分配接线图

四、机械手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法。工作方法选择能够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，每一工步全部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，图1所表示

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
操作系统包含回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，图3所表示。

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，假如CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），实施手动程序。以后，因为X7常闭触点，当实施CJ指令时，跳转到P1所指结束位置。假如旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序实施时跳过手动程序，直接实施自动程序。

5、回原位程序
回原位程序图4所表示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最终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　
图5所表示。图中上升/下降，左移/右移全部有联锁和限位保护。

7、自动操作程序
自动操作状态转移见图6所表示。当机械手处于原位时，按开启X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当抵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，以使电磁力达成最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升抵达最高位，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，但它驱动线圈，却能够使用数次，但二者不能出现在连续位置上。所以步进顺控编程，比起用基础指令编程较为轻易，可读性较强。

8、机械手传送系统梯形图
图7所表示。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操作系统运行。
回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方法编程。在各步进顺控末行，全部以RET结束本步进顺控程序块。但二者又有不一样。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和组态软件连接

组态软件和PLC连接使用是设备目录下DDE，再从DDE中选PLC，PLC 为西门子系列中S7-200系列中PPI方法。

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
多年来，机械手在自动化领域应用越来越广泛，机械手含有结构简单、造价较低、维护方便、速度快等特点。本系统就是经过应用西门子S7-200系列PLC控制气动机械手运行。经过这次对PLC控制，让我了解了plc梯形图、指令表、外部接线图有了愈加好了解，也让我了解了相关PLC设计原理。有很多设计理念起源于实际，从中找出最适合设计方法。
这次实训给了我不一样学习方法和体验，让我深切认识到实践关键性。在以后学习过程中，我会愈加重视自己操作能力和应变能力。
经过这次实习，对之前学习理论知识有了更深一步了解，对自己专业及其应用有了深入认识，同时这次实习也为自己以后工作有了一个全方面认识。