基于PLC机械手控制系统设计.doc

1、1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

2、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

3、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

4、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。2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

5、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、

6、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，

7、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3二、 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

8、。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：4三、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。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。

9、机械手传送系统输入和输出点分配表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；主机 模块 1 模块 2 模块 3 模块 4CPU226 2AQ 2AQ 2AQ 2AQI0.0 Q0.0 AQW0 AQW4 AQW8 AQW12I0.1 AQW2 AQW6 AQW10 AQW14I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0

10、I1.1I1.2I1.3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 Y75CPU2

11、26：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

12、。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6自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时

13、，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74、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，

14、（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8程序。5、回原位程序回原位程序如图 4 所示。用 S10S12 作回零操作元件。应注意，当用S10S19 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。97、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

15、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。108、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。