可编程控制器课程设计 机械手控制

1、摘要随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快, 人们对生产效率也不断提 出新要求。 由于微电子技术和计算软、 硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不 断完善, 使机械手技术快速发展, 其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及 不污染环境、 组件价格低廉、 维修方便和系统安全可靠等特点, 已渗透到工业领 域的各个部门, 在工业发展中占有重要地位。 本文讲述的气动机械手有气控机械 手、 XY 轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械 部件的搬运工作, 能放置在各种不同的生产线或物流流水线中, 使零件搬运、 货 物运输更快捷、便利。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自

2、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。 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。本次设计采用德国西门子公司生产的 S7-300/400系列可编程控制器对机械手进行运动控制, 根据机械手的运动规律:左/右、上/下、夹/松等进行软件编程。本设计中 PLC 实现的功能有:开关量的逻辑控制、运动控制、现场数据采 集处理、位置控制等。此次机械手的 PLC 控制设计包括:机械手传送工件系统、 输入和输出点分配表、原理接线图、操作系统、机械手传送系统梯形图、指令语 句表。首先, 机械手传送工件系统通过示意图阐述了其作用是将工件从A点传递到 B点。 机械手的

3、升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动液压 缸来完成, 机械手的夹紧、 松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的液压 缸完成。 机械手的工作臂都设有下、 上限位和右、 左限位的位置开关 SQ1、 SQ2和 SQ3、 SQ4,夹持装置不带限位开关,它是通过一定的延时来表示其夹持动 作的完成。 机械手在最上面、 最左边的状态为机械手的原位。 这里还说明了操作 面板上各旋钮、按钮的作用。其次,输入和输出点分配表指出此次设计选用 S7-300PLC ,系统共有 14个输入设备和 5个输出设备分别占用 PLC 的 14个输入点和 5个输出点。具体 分配请查看表 1。机械手是一种能模拟人的

4、手臂的部分动作, 按预定的程序、 轨迹及其它要求, 实现抓取、 搬运工件或操纵工具的自动化装置, 机械手在工业生产中得到广泛的应用。传统工艺中采用继电器控制时,需要的继电器多,线复杂,因此故障多, 维修困难,费时费工,不仅加大了成本,而且影响设备的工效。采用梯形控制直 观易懂,为电气人员所熟悉;采用 PLC 控制使接线简化,安装方便,而且保证 运行的可靠性,减少维修量,提高了工效。关键字:PLC 机械手控制 S7-300/4001 电气工艺分析1.1 工艺过程图 1所示为一简单物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手是一个水平 /垂 直位移的机械设备,其操作是将工件从 A 工作台搬运到 B 工作台

5、,由光耦合器 VLC 来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点,它的动作全部由汽缸 驱动,而汽缸则由相应的电磁阀控制。其中,上升 /下降和左移 /右移分别由双线 圈二位电磁阀,放松 /夹紧由一个单线圈二位电磁阀(称为夹紧电磁阀控制。 图 1 搬运机械手工艺流程图工艺过程为:光耦合器 VLC 检测到 A 工作台有工件,机械手开始有原点下 降,下降到底时,碰到下限位开关后,停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件。为 保证工件可靠夹紧,在该位置等待 2s 。夹紧后,上升电磁阀通电开始上升,上 升到顶碰到上限位开关, 停止上升, 改向右移动, 碰到右限位开关后, 停止右移,改为下降至碰到下限位开关, 下

6、降电磁阀断电, 停止下降, 同时夹紧电磁阀断电, 机械手将工件松开,放在 B 工作台上,为确保可靠松开,在该位置停留 2s ,然 后上升, 碰到上限位开关后改为左移, 到原点时碰到左限位开关, 左移电磁阀断 电,停止左移。至此,机械手搬运一个工件的全过程结束。1.2 控制要求机械手整个搬运过程要求都能自动控制。 在启动过程中能切换到手动控制及 自动控制或半自动控制(又称单周期控制 ,以便对设备进行调整和检修。图 2是机械手控制系统的逻辑流程图。 机械手搬运工件的一个周期可分为以下八个部 分。系统启动之前,机械手处于原始位置,条件是机械手在高位、左位。(1机械手下降 当光耦合器 VLC 检测到工

7、作台 A 上有工件,机械手开 始下降。下降到低位时,碰到下限位开关,机械手停止下降。(2夹紧工件 机械手在最低位开始夹紧工件,延时 2s 抓住、抓紧。(3机械手上升 机械手上升到高位时,碰到上限位开关,停止上升(4机械手右移 机械手右移到位时,碰到右限位开关,停止右移。(5机械手下降 当机械手下降到 B 时,碰到下限位开关,机械手停止下 降。(6放开工件 机械手在最低位开始放松工件,延时 2s 。(7机械手上升 机械手上升到高位时,碰到上限位开关,停止上升。(8机械手左移 机械手在高位开始左移,碰到左限位开关,停止左移。 机械手工作的一个周期完成,等待工件在工作台 A 上出现再转到第一步,开始

8、 下一个工作循环。2 .硬件配置在控制方式选择上需要 3个启动按钮, 分别完成自动方式、 单动方式和手动 方式的启动, 还需要一个按钮用来处理任何情况下的停止运行。 机械手运动的限 位开关有 4个:高限位开关、低限位开关、左限位开关和右限位开关。手动输入 信号共由 5个按钮组成:下降按钮、 上升按钮、 夹紧按钮、 左移按扭和右移按钮。 工作台 A 上有工件检测光耦合器 VLC 的输入信号,共有 14个数字量输入信号。 输出信号有机械手下降驱动信号、 上升驱动信号、 右移驱动信号、 左移驱动信号和机械手夹紧信号,共有 5个数字量输出信号。系统需要数字量输入 14点, 数字量输出 5点, 不需要模

9、拟量模块。 选择 S7-300系列的 CPU313,加上数字量输入模块 SM321及输出模块 SM322就可以满足要 求,而且还有一定的裕量。3 .I/O地址分配3.1 基本地址分配表将 14个输入信号、 5个输出信号按各自的功能类型分好, 并与 PLC 的 I/O端 一一对应,编排好地址。列出外部 I/O信号与 PLC I/O端地址编号对照表。 表 1 I/O地址分配表 3.2 其他地址分配(1夹紧定时器 T1,定时 2s ;(2放松定时器 T2,定时 2s ;(3自动方式标志 M0.0;(4单动方式标志 M0.1;(5手动方式标志 M0.2;(6结束标志 M0.5。3.3 外部接线S7-3

10、00 CPU 图 2 PLC 外部接线图4 .系统流程图 图 3 系统流程图5 .机械手梯形图程序设计5.1逻辑功能块网络 1:启动机械手下降I1.5 M1.1 Q4.0网络 2:机械手下降到位,停止下降并启动夹紧控制 网络 3:机械手夹紧并启动夹紧定时器,定时 2s 网络 4:定时时间到,并且机械手没有下降时,启动上升 网络 5:机械手上升到位,停止上升并启动右移控制 网络 6:机械手右移到位,停止右移并启动下降控制 网络 7:机械手下降到位,停止下降并启动松开控制 网络 8:机械手松开并启动松开定时器,定时 2s 网络 9:定时时间到,并且机械手没有下降时启动上升控制 T2 I0.7 I0

11、.5 Q4.0 M1.3 Q4.1网络 10:机械手上升到位,停止上升并启动左移控制 网络 11:机械手左移到位停止, M0.1=0,以阻止单动 网络 1:手动下降 网络 2:手动夹紧,采用置位和复位方式使夹紧后不允许松开 网络 3:手动上升 网络 4:手动右移 网络 5:手动下降 网络 6:手动放松 网络 7:手动左移 5.2组织块组织块 OB1用于设定机械手启动方式,主要负责功能块或子程序的调用是 自动运行还是单动运行,以及系统的循环扫描、故障诊断和输出刷新。网络 1:自动方式启动 M0.0=1,有自锁 网络 2:M0.1=1,单动有效 网络 3:单动方式启动 M0.1=1,有自锁 网络

12、4:自动方式或单动方式均调用子程序 FC1 网络 5:手动方式启动 M0.2=1,有自锁 网络 6:手动方式调用子程 FC2网络 7:停止处理 网络 8:错误操作处理 6 .指令设计6.1逻辑功能块A I 0.4A I 0.6A I 1.5AN Q 4.1FP M 1.1S Q 4.0网络 2:机械手下降到位,停止下降并启动夹紧控制 A Q 4.0A I 0.6A I 0.5FP M 1.2R Q 4.0S Q 4.4网络 3:机械手夹紧并启动夹紧定时器,定时 2sA Q 4.4A I 0.6A I 0.5AN Q 4.1L S5T#2SSD T 1网络 4:定时时间到,并且机械手没有下降时,

13、启动上升 A T 1A I 0.6A I 0.5AN Q 4.0P M 1.3S Q 4.1网络 5:机械手上升到位,停止上升并启动右移控制 A Q 4.1A I 0.6A I 0.4= L 0.0A L 0.0BLD 102R Q 4.1A L; 0.0AN Q 4.3FP M 1.4S Q 4.2网络 6:机械手右移到位,停止右移并启动下降控制 A Q 4.2A I 0.4A I 0.7= L 0.0A L 0.0BLD 102R Q 4.2A L 0.0AN Q 4.1FP M 1.1S Q 4.0网络 7:机械手下降到位,停止下降并启动松开控制 A Q 4.0A I 0.7A I 0.

14、5FP M 1.2R Q 4.0A Q 4.4网络 8:机械手松开并启动松开定时器,定时 2sAN Q 4.4A I 0.7A I 0.5AN Q 4.1L S5T#2sSD T 2网络 9:定时时间到,并且机械手没有下降时启动上升控制 A T 2A I 0.7A I 0.5AN Q 4.0FP M 1.3S Q 4.1网络 10:机械手上升到位,停止上升并启动左移控制 A Q 4.1A I 0.7A I 0.4= L 0.0A L 0.0BLD 102R Q 4.1A L 0.0AN Q 4.2FP M 1.5S Q 4.3网络 11:机械手左移到位停止, M0.1=0,以阻止单动 A Q

15、4.3A I 0.4A I 0.6FP M 1.0R M 0.1R Q 4.3网络 1:手动下降A I 1.0A I 0.5R Q 4.0网络 2:手动夹紧,采用置位和复位方式使夹紧后不允许松开A I 1.2A I 0.6A I 0.5FP M 1.2S Q 4.4网络 3:手动上升A I 1.1AN I 0.4= Q 4.1网络 4:手动右移A I 1.1AN I 0.7= Q 4.1网络 5:手动下降A I 1.0AN I 0.5= Q 4.2网络 6:手动放松AN I 1.2A I 0.7A M 1.2FP Q 4.4S I 0.5网络 7:手动左移A I 1.3AN I 0.6= Q

16、4.36.2组织块组织块 OB1用于设定机械手启动方式,主要负责功能块或子程序的调用是 自动运行还是单动运行, 以及系统的循环扫描、 故障诊断和输出刷新。 其语句表 程序如下:网络 1:自动方式启动 M0.0=1,有自锁A(A I 0.0AN M 0.1O M 0.0AN I 0.3S M 0.0网络 2:M0.1=1,单动有效A I 0.1AN M 0.0S M 0.1网络 3:单动方式启动 M0.1=1,有自锁A(A I 0.1AN M 0.0OA M 0.1A M 0.3AN I 0.3S M 0.1网络 4:自动方式或单动方式均调用子程序 FC1 A(A M 0.0A M 0.1OA

17、M 0.1A M 0.0A M 0.2A M 0.5CC FC 1网络 5:手动方式启动 M0.2=1,有自锁A(O I 0.2O M 0.2FP M 1.1A I 0.3S M 0.2网络 6:手动方式调用子程 FC2A M 0.2电气控制与可编程控制器课程设计 AN M AN M AN M CC FC 网络 7：停止处理 A I S M 网络 8：错误操作处理 A I AN I O A I A I O A I A I S M 0.0 0.1 0.5 2 0.3 0.5 0.0 0.1 0.0 0.2 0.1 0.2 0.5 7. 软件仿真 16 电气控制与可编程控制器课程设计 8 .心得体会 在本次设计过程中，使我受益匪浅，使我从其中学到了很多的东西。可编程 控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品， 逐渐发展成以微器处理为核 心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。通 过这次的课程设计，使自己的编程能力有了进一步提高，同时也包括 STEP-7 软 件的运用能力， 作为一名即将到现场工作的的学生，软件的运用能力和编程能力 是必需掌握的技术， 此次设计为我们提供了一个平台，有助于我们更进一步的了 解现场，为日后走