plc控制机械手设计

1引言11课程提出与研究意义随着工业生产自动化规模的扩大，生产过程日趋复杂。生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。在自动化生产领域中，工业机械手是近几年发展起来的。工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。其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。机械手作业具有准确性和各种环境中完成作业的能力。借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的供需前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。12工业机械手发展现状机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手由执行机构、驱动传动机构、控制系统、智能系统、远程诊断监控系统五部分组成。驱动传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。简易机械手在各类全自动和半自动化生产线上应用的十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，代替人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降夹紧放松结构，各动作由PLC控制相关电机和液压执行元件完成。能十分方便的嵌入到各类生产工业生产线中。日益复杂的工业过程促进了机械手在工业生产中的应用。对相应的控制精度、控制稳定性也提出了更高的要求。其现状是在性能不断提高的同时，单机价格不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。器件集成度、系统的可靠性、易操作性和可维护性提高。伴随科学技术的不断进步，机器人与工业自动化技术的迅猛发展，尤其是移动机械手系统的不断进步，为危险品的安全处理提供了新的思路。13本设计的主要工作针对工业现场的控制要求，本文将详细介绍以可编程控制器为处理单元的机械手过程控制系统设计与实现。首先，对机械手的工作原理以及动作过程的阐述。其次对机械手的控制要求、操作方式和控制面板的设计。最后对机械手整体程序的设计，包括PLC输入输出点的分配，确立系统软件的整体框架，各个操作方式的程序，最后对系统设计进行总结。2机械手工作原理21机械手动作原理及示意图如图21中，机械手的所有动作均是采用点动控制、液压驱动。它的上升/下降和左移/右移均采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持当前的机械动作，直到相反动作的线圈通电为止。例如当下降电磁阀线圈通电后，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持当前的下降动作状态，直到上升电磁阀线圈通电为止。机械手的夹紧/放松采用单线圈二位电磁阀推动液压缸完成，线圈通电时执行夹紧工作，线圈断电时执行放松动作。为了使动作准确，机械手上安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分别对机械手进行下降、上升、右行、左行等动作的限位，并给出了动作到位的信号。另外，还安装了光电开关SP，负责监测工作台B上的工件是否已经移走，从而产生无工件信号，为下一个工件的下放做好准备。图21机械手工作示意图22机械手动作过程机械手的动作过程如图22所示。从原点开始按下启动按钮时,下降电磁阀通电,机械手开始下降。下降到底时,碰到下限位开关,下降电磁阀断电,下降停止同时接通夹紧电磁阀,机械手夹紧,夹紧后,上升电磁阀开始通电,机械手上升上升到顶时,碰到上限位开关,上升电磁阀断电,上升停止同时接通右移电磁阀,机械手右移,右移到位时,碰到右移极限位开关,右移电磁阀断电,右移停止。此时,右工作台上无工作,则光电开关接通,下降电磁阀接通,机械手下降。下降到底时碰到下限位开关下降电磁阀断电,下降停止同时夹紧电磁阀断电,机械手放松,放松后,上升电磁阀通电,机械手上升,上升到极限时碰到极限位开关,上升电磁阀断电,上升停止同时接通左移电磁阀,机械手左移左移到原点时,碰到左极限开关,左移电磁阀断电,左移停止。至此,机械手经过八步动作完成一个循环。图22机械手的动作过程图23控制要求工作台A、B上工件的传送不用PLC控制；机械手要求按一定的顺序动作，其流程图如图23所示。图23控制系统流程图启动时，机械手从原点开始按顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上；重新启动时，机械手按停止前的动作继续进行。24机械手操作方式为满足生产要求，机械手设置手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周和连续工作方式。手动工作方式利用按钮对机械手每一步动作单独进行控制，例如当选择上下运动时，按下启动按钮，机械上升；按下停止按钮，机械手下降。当选择左右运动时，按下启动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。单步工作方式从原点开始，按自动工作循环的工序，每按一下启动按钮，机械手完成一部的动作后自动停止。单周期工作方式机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新启动时需用手动操作方式将机械手移回到原点，然后按一下启动按钮，机械手又开始重新单周期操作。连续工作方式机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手将自动地、连续地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手停止工作。重新启动时，必须用手动操作将机械手移回到原点，然后按下启动按钮，机械手又开始重新连续工作。在工作中若按下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。25操作面板布置根据控制要求，需安排一定的操作开关，并设计控制箱面板布置如图24所示。图24操作面板布置图图中，接通I07是手动操作模式。手动操作时，按加载选择开关的位置，用启动/停止按钮选择加在操作，当加载选择开关打到左/右位置时，按下启动行行按钮，机械手右行；若按下停止按钮，机械手左行。用上述操作可使机械手停在原点。接通I10是单步方式。机械手在原点时，按下启动按钮，向前操作一步；每按启动按钮一次操作一步。接通I11是单周期操作方式。机械手在原点时自动操作一个周期。接通I12是连续操作方式。机械手在原点时，按下启动按钮，连续执行自动周期操作，当按下停止按钮，机械手完成此周期后自动回到原点并不再动作。3PLC选型及输入/输出端子地址分配根据控制要求，该机械手控制系统所采用的可编程控制器是德国西门子公司生产的S7200CPU224。图31是S7200CPU224输入/输出端子地址分配。该机械手控制系统共使用了14个输入量，6个输出量。图31输入/输出端子地址分配4PLCI/O地址、内部辅助继电器分配表根据控制系统外部接线图，PLCI/O地址分配见表41。表41外部I/O继电器分配表5PLC的程序设计51程序整体结构序号符号功能描述序号符号功能描述1I00启动11I12连续2I01下限12I13左与右3I02上线13I14上与下4I03右限14I15夹与松5I04左限15Q00下降6I05无工件检测16Q01上升7I05停止17Q02夹紧8I07单操作18Q03右行9I10步进19Q04左行10I11单周20Q05原位显示为了在程序中安排机械手控制系统单操作、步进操作、自动操作等功能程序，先规划整体程序结构如图51所示。图51整体程序结构图如图51，若选择单操作工作方式，I07断开，接着执行但操作程序。但操作程序独立于自动操作程序，可另行设计。在单周期工作方式和连续操作方式下，可执行自动操作程序。在步进操作方式，执行不仅操作程序，按一下启动按钮执行一个动作，并按规定顺序进行。在需要自动操作方式，中间继电器M10接通。步进工作方式、单操作工作方式和自动操作方式，都用同样的输出继电器。有了整体程序结构后，再针对各功能编制各分段程序。52实现单操作动作的程序图52是实现单操作工作的梯形图程序，表51是单操作指令表。为避免发生误动作，插入了一些联锁电路。例如，将加载开关扳倒“左/右”挡，按下启动按钮，才能执行（即为安全起见，设上限安全联锁保护）。图52单操作梯形图表51单操作指令表地址指令数据地址指令数据地址指令数据1LDI139ANQ0317LDI142AI0210Q0418AI003LPS11LDI1519ANQ014AI0012AI0020Q005ANQ0413SQ02,121LDI146Q0314LDI1522AI067LPP15AI0623ANQ008AI0616RQ02,124Q01将加载选择开关扳到“夹/松”挡，按启动按钮，执行夹紧动作；按停止按钮，则松开。将加载选择开关扳到“上/下”挡，按启动按钮，下降；按停止按钮，上升。53自动操作程序图53是机械手自动操作流程图，图54是与之对应的梯形图。PLC由STOP转为RUN时，初始脉冲SM10对状态进行初始复位。当机械手在原点时，将状态S00置1,这是第一步。按下启动按钮后，置位状态S01，同时将原工作状态S00清零，数出继电器Q00得电，Q05复位，原点指示灯熄灭，执行下降动作。当下降到底碰到下限位开关时，I01接通，状态转移到S02,同时将状态S01清零，输出继电器Q00复位，Q02置1，于是机械手停止下降，执行夹紧动作；定时器T37开始计时，延时17S后，接通T37常开触点将状态S03置1，同时将工作状态S02清零。而数出继电器Q01得电，执行上升动作。由于Q02已被置1，加紧动作继续执行。当上升到上限位时，I02接通，状态转移到S04,同时将状态S03清零，Q01失电，不再上升，而Q03得电，执行右行动作。当右行执行到右限位时，I03接通，Q03失电，机械手停止右行，若此时I05接通，则状态转移到S05,同时将状态S04清零，而Q00再次得电，执行下降动作。当下降到底碰到下限位开关时，I01接通，状态转移到S06，同时将状态S05清零，数出继电器Q00复位，Q02被复位，于是机械手停止下降，执行松开动作；定时器T38开始计时，延时15S后，接通T38常开触点将状态S07置1，透光石将工作状态S06清零，而数出继电器Q01再次得电，执行上升动作。行至上限位置，I02接通，状态转移到S10，同时将状态S07清零，Q01失电，停止上升，而Q04得电，执行左行动作。到达左限位，I04接通，将状态S10清零。如果此时为连续工作状态，M10置1,即状态转移回到S01，重复执行自动程序。若为单周期操作方式，状态转移到S00,则机械手停在原点。在运行中，如按停止按钮，机械手的动作执行完当前一个周期后，回到原点自动停止。在运行中，PLC若掉电，机械手动作停止。重新启动时，先用手动操作将机械手移回原点，再按启动按钮，又重新开始自动操作。步进动作是按下启动按钮动作一次。步进动作状态转移图与图53相似，只是每步动作都需增加一个启动按钮，如图55所示。步进操作所用的输出继电器、定时器与其他操作所用的输出继电器、定时器相同。图53自操作流程图图54自动操作梯形图表52自动操作指令表地址指令数据地址指令数据地址指令数据1LDSM0126LDSM0051SCRE2MOVW0,SW027M2252LSCRS073LDI0228LDI0253LDSM004A29SCRTS0454M235SS00,130SCRE55LDI026LSCRS0031LSCRS0456SCRTS107LDSM0032LDSM0057SCRE8Q0533AN58LSCRS109LDI0034Q0359LDSM0010SCRTS0135LDI0360I0311SCRE36AI0561LDSM0012LSCRS0137SCRTS0562AM1013LDS38SCRE63SCRTS0114M2039LSCRS0564LDI0415LDI0140LDSM0065ANM1016SCRTS0241M2166SCRTS0017SCRE42LDI0167SCRE18LSCRS0243SCRTS0668LDM2119LDSM0044SCRE69OM2120SQ02,145LSCRS0670Q0021TONT37,1746LDSM0071LDM2222LDT3747RQ02,172OM2323SCRTS0348TONT38,1573Q0124SCRE49LDT3825LSCRS0350SCRTS07图55步进操作流程图结论相对而言此机械手的设计难度虽然不是非常大，但它在当代工业中的作用可是非常大的，机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力都是无与伦比的。该机械手在改用PLC控制以前，采用传统的继电器控制，其控制线路复杂，继电器多；采用本程序控制之后，控制线路简单化，省去了全部继电器，安装十分方便，并且保证了系统运行的可靠性，减少了维修量，提高了工效，社会经济效益得到明显提高。致谢光阴似箭，毕业设计也圆满完成，三年的大学学习也将画上圆满的句号。首先，向三年来辛勤培养、教育和关心支持过我的恩师们表示最诚挚的敬意和感谢。同时也非常感谢母校给了我这次知识汇报的机会，因为在这次的设计过程中我们细致地把三年来的所学又一次的加深理解，并灵活运用到毕业设计中。为今后走上社会奠定了基础。其次，我更加感谢的是我们的指导老师王文堂老师，以及教授我专业课的各位老师，本次设计从开始的选题，设计任务和目的确定，寻找相关材料，到系统的总体设计及论文的写作，都一直得到了王老师的耐心指导和帮助，从中提出了许多宝贵的意见和建议，帮助解决了不少难题，