可編程控制器課程設計--機械手控制

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　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。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機械手技術快速發(fā)展，其中氣動機械手系統(tǒng)由于其介質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

2、機械手有氣控機械手、XY軸絲杠組、轉盤機構、旋轉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。</p><p>　　機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。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S7-300/4

3、00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。</p><p>　　本設計中PLC實現(xiàn)的功能有：開關量的邏輯控制、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Ａ點傳遞到Ｂ

4、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動液壓缸來完成，機械手的夾緊、松開的動作由只有一個線圈的兩位電磁閥驅動的液壓缸完成。機械手的工作臂都設有下、上限位和右、左限位的位置開關SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夾持裝置不帶限位開關，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。</p><p>　　其次，輸入和輸

5、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。</p><p>　　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

6、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。 </p><p>　　關鍵字：PLC 機械手控制 S7-300/400</p><p><b>　　1 電氣工藝分析</b></p><p><b>　　1.1 工藝過程</b>&l

7、t;/p><p>　　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。</p><p>　　圖1

8、搬運機械手工藝流程圖</p><p>　　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，停止上升，改向右移動，碰到右限位開關后，停止右移，改為下降至碰到下限位開關，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

9、工作臺上，為確?？煽克砷_，在該位置停留2s，然后上升，碰到上限位開關后改為左移，到原點時碰到左限位開關，左移電磁閥斷電，停止左移。至此，機械手搬運一個工件的全過程結束。</p><p><b>　　1.2 控制要求</b></p><p>　　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），以便對設備進行調整和

10、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。</p><p>　?。?）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，機械手停止下降。</p><p>　?。?）夾緊工件 機械手在最低位開始夾緊工件，延時2s抓住、抓緊。<

11、/p><p>　?。?）機械手上升 機械手上升到高位時，碰到上限位開關，停止上升</p><p>　　（4）機械手右移 機械手右移到位時，碰到右限位開關，停止右移。</p><p>　?。?）機械手下降 當機械手下降到B時，碰到下限位開關，機械手停止下降。</p><p>　?。?）放開工件 機械手在最低位開始放松工件，延時2

12、s。</p><p>　?。?）機械手上升 機械手上升到高位時，碰到上限位開關，停止上升。</p><p>　?。?）機械手左移 機械手在高位開始左移，碰到左限位開關，停止左移。</p><p>　　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)再轉到第一步，開始下一個工作循環(huán)。 </p><p><b&g

13、t;　　2 .硬件配置</b></p><p>　　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有4個：高限位開關、低限位開關、左限位開關和右限位開關。手動輸入信號共由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

14、出信號有機械手下降驅動信號、上升驅動信號、右移驅動信號、左移驅動信號和機械手夾緊信號，共有5個數(shù)字量輸出信號。</p><p>　　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。</p><p>　　3 .I/O地址分配</p><p&g

15、t;　　3.1 基本地址分配表</p><p>　　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 I/O端地址編號對照表。</p><p>　　表1 I/O地址分配表</p><p>　　3.2 其他地址分配</p><p>　?。?）夾緊定時器T1，定時2s；<

16、;/p><p>　?。?）放松定時器T2，定時2s；</p><p>　?。?）自動方式標志M0.0；</p><p>　?。?）單動方式標志M0.1；</p><p>　　（5）手動方式標志M0.2；</p><p>　?。?）結束標志M0.5。</p><p><b>　　3.3 外部

17、接線 </b></p><p>　　S7-300 CPU </p><p><b>　　+24 V</b></p><p>　　圖2 PLC外部接線圖</p><p><b>　　4 .系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　圖3 系統(tǒng)流程圖 </p&g

18、t;<p>　　5 .機械手梯形圖程序設計</p><p><b>　　5.1邏輯功能塊</b></p><p>　　5.1.1自動方式或單動方式控制（FC1）的具體程序</p><p>　　網(wǎng)絡1：啟動機械手下降 </p&

19、gt;<p>　　I0.4 I0.6 I1.5 Q4.1 M1.1 Q4.0 </p><p>　　( p ) ( s )</p><p>　　網(wǎng)絡2：機械手下降到位，停止下降并啟動夾緊控制</p><p>　　網(wǎng)絡3：

20、機械手夾緊并啟動夾緊定時器，定時2s</p><p>　　網(wǎng)絡4：定時時間到，并且機械手沒有下降時，啟動上升</p><p>　　網(wǎng)絡5：機械手上升到位，停止上升并啟動右移控制</p><p>　　網(wǎng)絡6：機械手右移到位，停止右移并啟動下降控制</p><p>　　網(wǎng)絡7：機械手下降到位，停止下降并啟動松開控制</p><

21、p>　　網(wǎng)絡8：機械手松開并啟動松開定時器，定時2s</p><p>　　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</p><p>　　T2 I0.7 I0.5 Q4.0 M1.3 Q4.1</p><p>　　( P ) ( S )</p><p>　　網(wǎng)絡10：機械手上升

22、到位，停止上升并啟動左移控制</p><p>　　網(wǎng)絡11：機械手左移到位停止，M0.1=0，以阻止單動</p><p>　　5.1.2手動方式控制（FC2）的具體程序</p><p><b>　　網(wǎng)絡1：手動下降</b></p><p>　　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</p>

23、<p><b>　　網(wǎng)絡3：手動上升</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡4：手動右移</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡5：手動下降</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡6：手動放松</b></p><p><b>　　

24、網(wǎng)絡7：手動左移</b></p><p><b>　　5.2組織塊</b></p><p>　　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。</p><p>　　網(wǎng)絡1：自動方式啟動M0.0=1，有自鎖</p><p>　　網(wǎng)

25、絡2：M0.1=1，單動有效</p><p>　　網(wǎng)絡3：單動方式啟動M0.1=1，有自鎖</p><p>　　網(wǎng)絡4：自動方式或單動方式均調用子程序FC1</p><p>　　網(wǎng)絡5：手動方式啟動M0.2=1，有自鎖</p><p>　　網(wǎng)絡6：手動方式調用子程FC2</p><p><b>　　網(wǎng)絡7：停

26、止處理</b></p><p>　　網(wǎng)絡8：錯誤操作處理</p><p><b>　　6 .指令設計</b></p><p><b>　　6.1邏輯功能塊</b></p><p>　　6.1.1自動方式或單動方式控制（FC1）的具體程序</p><p>　　網(wǎng)絡1

27、：啟動機械手下降</p><p>　　A I 0.4</p><p>　　A I 0.6</p><p>　　A I 1.5</p><p>　　AN Q 4.1</p><p>　　FP M 1.1</p><p&

28、gt;　　S Q 4.0</p><p>　　網(wǎng)絡2：機械手下降到位，停止下降并啟動夾緊控制</p><p>　　A Q 4.0</p><p>　　A I 0.6</p><p>　　A I 0.5</p><p>　　FP M 1.

29、2</p><p>　　R Q 4.0</p><p>　　S Q 4.4</p><p>　　網(wǎng)絡3：機械手夾緊并啟動夾緊定時器，定時2s</p><p>　　A Q 4.4</p><p>　　A I 0.6</p><p&g

30、t;　　A I 0.5</p><p>　　AN Q 4.1</p><p>　　L S5T#2S</p><p>　　SD T 1</p><p>　　網(wǎng)絡4：定時時間到，并且機械手沒有下降時，啟動上升</p><p>　　A T 1</p&

31、gt;<p>　　A I 0.6</p><p>　　A I 0.5</p><p>　　AN Q 4.0</p><p>　　P M 1.3</p><p>　　S Q 4.1</p><p>　　網(wǎng)絡5：機械手上升到位，

32、停止上升并啟動右移控制</p><p>　　A Q 4.1</p><p>　　A I 0.6</p><p>　　A I 0.4</p><p>　　= L 0.0</p><p>　　A L 0.0</p><

33、;p><b>　　BLD 102</b></p><p>　　R Q 4.1</p><p>　　A L; 0.0</p><p>　　AN Q 4.3</p><p>　　FP M 1.4</p><p>　　S

34、 Q 4.2</p><p>　　網(wǎng)絡6：機械手右移到位，停止右移并啟動下降控制</p><p>　　A Q 4.2</p><p>　　A I 0.4</p><p>　　A I 0.7</p><p>　　= L 0.0</p&g

35、t;<p>　　A L 0.0</p><p><b>　　BLD 102</b></p><p>　　R Q 4.2</p><p>　　A L 0.0</p><p>　　AN Q 4.1</p><p>

36、;　　FP M 1.1</p><p>　　S Q 4.0</p><p>　　網(wǎng)絡7：機械手下降到位，停止下降并啟動松開控制</p><p>　　A Q 4.0</p><p>　　A I 0.7</p><p>　　A I 0

37、.5</p><p>　　FP M 1.2</p><p>　　R Q 4.0</p><p>　　A Q 4.4</p><p>　　網(wǎng)絡8：機械手松開并啟動松開定時器，定時2s</p><p>　　AN Q 4.4</p><p>

38、;　　A I 0.7</p><p>　　A I 0.5</p><p>　　AN Q 4.1</p><p>　　L S5T#2s</p><p>　　SD T 2</p><p>　　網(wǎng)絡9：定時時間到，并且機械手沒有下降時

39、啟動上升控制</p><p>　　A T 2</p><p>　　A I 0.7</p><p>　　A I 0.5</p><p>　　AN Q 4.0</p><p>　　FP M 1.3</p>&l

40、t;p>　　S Q 4.1</p><p>　　網(wǎng)絡10：機械手上升到位，停止上升并啟動左移控制</p><p>　　A Q 4.1</p><p>　　A I 0.7</p><p>　　A I 0.4</p><p>　　=

41、 L 0.0</p><p>　　A L 0.0</p><p>　　BLD 102</p><p>　　R Q 4.1</p><p>　　A L 0.0</p><p>　　AN Q 4.2</

42、p><p>　　FP M 1.5</p><p>　　S Q 4.3</p><p>　　網(wǎng)絡11：機械手左移到位停止，M0.1=0，以阻止單動</p><p>　　A Q 4.3</p><p>　　A I 0.4</p&g

43、t;<p>　　A I 0.6</p><p>　　FP M 1.0</p><p>　　R M 0.1</p><p>　　R Q 4.3</p><p>　　6.1.2手動方式控制（FC2）的具體程序</p><p&

44、gt;<b>　　網(wǎng)絡1：手動下降</b></p><p>　　A I 1.0</p><p>　　A I 0.5</p><p>　　R Q 4.0</p><p>　　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</p><p>　

45、　A I 1.2</p><p>　　A I 0.6</p><p>　　A I 0.5</p><p>　　FP M 1.2</p><p>　　S Q 4.4</p><p><b>　　網(wǎng)絡3：手動上升</b&g

46、t;</p><p>　　A I 1.1</p><p>　　AN I 0.4</p><p>　　= Q 4.1</p><p><b>　　網(wǎng)絡4：手動右移</b></p><p>　　A I 1.1</p>&

47、lt;p>　　AN I 0.7</p><p>　　= Q 4.1</p><p><b>　　網(wǎng)絡5：手動下降</b></p><p>　　A I 1.0</p><p>　　AN I 0.5</p><p>　　=

48、 Q 4.2 </p><p><b>　　網(wǎng)絡6：手動放松</b></p><p>　　AN I 1.2</p><p>　　A I 0.7</p><p>　　A M 1.2</p><p>　　FP Q

49、 4.4</p><p>　　S I 0.5</p><p><b>　　網(wǎng)絡7：手動左移</b></p><p>　　A I 1.3</p><p>　　AN I 0.6</p><p>　　= Q 4.

50、3</p><p><b>　　6.2組織塊</b></p><p>　　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：</p><p>　　網(wǎng)絡1：自動方式啟動M0.0=1，有自鎖</p><p><b>　　

51、A(</b></p><p>　　A I 0.0</p><p>　　AN M 0.1</p><p>　　O M 0.0</p><p><b>　　)</b></p><p>　　AN I 0.3</p>

52、;<p>　　S M 0.0</p><p>　　網(wǎng)絡2：M0.1=1，單動有效</p><p>　　A I 0.1</p><p>　　AN M 0.0</p><p>　　S M 0.1</p><p>　　網(wǎng)絡3：單動方式

53、啟動M0.1=1，有自鎖</p><p><b>　　A(</b></p><p>　　A I 0.1</p><p>　　AN M 0.0</p><p><b>　　O</b></p><p>　　A M 0.

54、1</p><p>　　A M 0.3</p><p><b>　　)</b></p><p>　　AN I 0.3</p><p>　　S M 0.1</p><p>　　網(wǎng)絡4：自動方式或單動方式均調用子程序FC1</p

55、><p><b>　　A(</b></p><p>　　A M 0.0</p><p>　　A M 0.1</p><p><b>　　O</b></p><p>　　A M 0.1</p><

56、p>　　A M 0.0</p><p><b>　　)</b></p><p>　　A M 0.2</p><p>　　A M 0.5</p><p>　　CC FC 1</p><p>　　網(wǎng)絡5：手動方式

57、啟動M0.2=1，有自鎖</p><p><b>　　A(</b></p><p>　　O I 0.2</p><p>　　O M 0.2</p><p><b>　　)</b></p><p>　　FP M 1.1&l

58、t;/p><p>　　A I 0.3</p><p>　　S M 0.2</p><p>　　網(wǎng)絡6：手動方式調用子程FC2</p><p>　　A M 0.2</p><p>　　AN M 0.0</p><p>　　

59、AN M 0.1</p><p>　　AN M 0.5</p><p>　　CC FC 2</p><p><b>　　網(wǎng)絡7：停止處理</b></p><p>　　A I 0.3</p><p>　　S M

60、 0.5</p><p>　　網(wǎng)絡8：錯誤操作處理</p><p>　　A I 0.0</p><p>　　AN I 0.1</p><p><b>　　O</b></p><p>　　A I 0.0</p><p&

61、gt;　　A I 0.2</p><p><b>　　O</b></p><p>　　A I 0.1</p><p>　　A I 0.2</p><p>　　S M 0.5</p><p><b>　　7. 軟

62、件仿真</b></p><p><b>　　8 .心得體會</b></p><p>　　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?？删幊炭刂破魇抢^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、計算機技術、通信技術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ST

63、EP-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，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，為日后走上工作崗位夯實了基礎。這次設計，提高了我的動手和動腦能力，更讓我們體會到了理論與實踐相結合的重要性，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。</p><p><b>　　9.參考文獻</b></p&

64、gt;<p>　　[1] 賈石峰編著.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用.蘭州:蘭州大學出版社，2006</p><p>　　[2] 張萬忠編著.現(xiàn)代電氣控制及PLC控制技術.北京:人民郵電出版社，1999</p><p>　　[3] 張浩風編著.PLC梯形圖設計方法與應用實例.北京:機械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[4] 可編程序控制器應用技術(