可編程控制器課程設(shè)計--機(jī)械手控制

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著社會生產(chǎn)不斷進(jìn)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(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī)械手技術(shù)快速發(fā)展，其中氣動機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)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(diǎn)，已滲透到工業(yè)領(lǐng)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(jī)械手有氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運(yùn)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(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。</p><p>　　機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。工業(yè)機(jī)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(shè)備。本次設(shè)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(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動控制，根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)律：左／右、上／下、夾／松等進(jìn)行軟件編程。</p><p>　　本設(shè)計中PLC實現(xiàn)的功能有：開關(guān)量的邏輯控制、運(yùn)動控制、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理、位置控制等。此次機(jī)械手的PLC控制設(shè)計包括：機(jī)械手傳送工件系統(tǒng)、輸入和輸出點(diǎn)分配表、原理接線圖、操作系統(tǒng)、機(jī)械手傳送系統(tǒng)梯形圖、指令語句表。 首先，機(jī)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(diǎn)傳遞到Ｂ

4、點(diǎn)。機(jī)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(qū)動液壓缸來完成，機(jī)械手的夾緊、松開的動作由只有一個線圈的兩位電磁閥驅(qū)動的液壓缸完成。機(jī)械手的工作臂都設(shè)有下、上限位和右、左限位的位置開關(guān)SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夾持裝置不帶限位開關(guān)，它是通過一定的延時來表示其夾持動作的完成。機(jī)械手在最上面、最左邊的狀態(tài)為機(jī)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(diǎn)分配表指出此次設(shè)計選用S7-300PLC，系統(tǒng)共有14個輸入設(shè)備和5個輸出設(shè)備分別占用PLC的14個輸入點(diǎn)和5個輸出點(diǎn)。具體分配請查看表1。</p><p>　　機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動化裝置，機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)工藝中采用繼電器控制時，需要的繼電器多，線復(fù)雜，因此故障多，維修困難，費(fèi)時費(fèi)工，不僅加大了成本，而且影

6、響設(shè)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(yùn)行的可靠性，減少維修量，提高了工效。 </p><p>　　關(guān)鍵字：PLC 機(jī)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(yùn)機(jī)械手的工藝流程圖。該機(jī)械手是一個水平/垂直位移的機(jī)械設(shè)備，其操作是將工件從A工作臺搬運(yùn)到B工作臺，由光耦合器VLC來檢測工作臺上有沒有工件。機(jī)械手通常位于原點(diǎn)，它的動作全部由汽缸驅(qū)動，而汽缸則由相應(yīng)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(yùn)機(jī)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(jī)械手開始有原點(diǎn)下降，下降到底時，碰到下限位開關(guān)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(guān)，停止上升，改向右移動，碰到右限位開關(guān)后，停止右移，改為下降至碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降，同時夾緊電磁閥斷電，機(jī)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(guān)后改為左移，到原點(diǎn)時碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，停止左移。至此，機(jī)械手搬運(yùn)一個工件的全過程結(jié)束。</p><p><b>　　1.2 控制要求</b></p><p>　　機(jī)械手整個搬運(yùn)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(shè)備進(jìn)行調(diào)整和

10、檢修。圖2是機(jī)械手控制系統(tǒng)的邏輯流程圖。機(jī)械手搬運(yùn)工件的一個周期可分為以下八個部分。系統(tǒng)啟動之前，機(jī)械手處于原始位置，條件是機(jī)械手在高位、左位。</p><p>　?。?）機(jī)械手下降 當(dāng)光耦合器VLC檢測到工作臺A上有工件，機(jī)械手開始下降。下降到低位時，碰到下限位開關(guān)，機(jī)械手停止下降。</p><p>　?。?）夾緊工件 機(jī)械手在最低位開始夾緊工件，延時2s抓住、抓緊。<

11、/p><p>　　（3）機(jī)械手上升 機(jī)械手上升到高位時，碰到上限位開關(guān)，停止上升</p><p>　?。?）機(jī)械手右移 機(jī)械手右移到位時，碰到右限位開關(guān)，停止右移。</p><p>　?。?）機(jī)械手下降 當(dāng)機(jī)械手下降到B時，碰到下限位開關(guān)，機(jī)械手停止下降。</p><p>　?。?）放開工件 機(jī)械手在最低位開始放松工件，延時2

12、s。</p><p>　?。?）機(jī)械手上升 機(jī)械手上升到高位時，碰到上限位開關(guān)，停止上升。</p><p>　?。?）機(jī)械手左移 機(jī)械手在高位開始左移，碰到左限位開關(guān)，停止左移。</p><p>　　機(jī)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(zhuǎn)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(yùn)行。機(jī)械手運(yùn)動的限位開關(guān)有4個：高限位開關(guān)、低限位開關(guān)、左限位開關(guān)和右限位開關(guān)。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(jī)械手下降驅(qū)動信號、上升驅(qū)動信號、右移驅(qū)動信號、左移驅(qū)動信號和機(jī)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(diǎn)，數(shù)字量輸出5點(diǎn)，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(yīng)，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>　　（2）放松定時器T2，定時2s；</p><p>　?。?）自動方式標(biāo)志M0.0；</p><p>　?。?）單動方式標(biāo)志M0.1；</p><p>　　（5）手動方式標(biāo)志M0.2；</p><p>　　（6）結(jié)束標(biāo)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(jī)械手梯形圖程序設(shè)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(luò)1：啟動機(jī)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(luò)2：機(jī)械手下降到位，停止下降并啟動夾緊控制</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)3：

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

21、p>　　網(wǎng)絡(luò)8：機(jī)械手松開并啟動松開定時器，定時2s</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)9：定時時間到，并且機(jī)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(luò)10：機(jī)械手上升

22、到位，停止上升并啟動左移控制</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)11：機(jī)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(luò)1：手動下降</b></p><p>　　網(wǎng)絡(luò)2：手動夾緊，采用置位和復(fù)位方式使夾緊后不允許松開</p>

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

24、網(wǎng)絡(luò)7：手動左移</b></p><p><b>　　5.2組織塊</b></p><p>　　組織塊OB1用于設(shè)定機(jī)械手啟動方式，主要負(fù)責(zé)功能塊或子程序的調(diào)用是自動運(yùn)行還是單動運(yùn)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(luò)1：自動方式啟動M0.0=1，有自鎖</p><p>　　網(wǎng)

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

26、止處理</b></p><p>　　網(wǎng)絡(luò)8：錯誤操作處理</p><p><b>　　6 .指令設(shè)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(luò)1

27、：啟動機(jī)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(luò)2：機(jī)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(luò)3：機(jī)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(luò)4：定時時間到，并且機(jī)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(luò)5：機(jī)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(luò)6：機(jī)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(luò)7：機(jī)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(luò)8：機(jī)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(luò)9：定時時間到，并且機(jī)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(luò)10：機(jī)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(luò)11：機(jī)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(luò)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(luò)2：手動夾緊，采用置位和復(fù)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(shè)定機(jī)械手啟動方式，主要負(fù)責(zé)功能塊或子程序的調(diào)用是自動運(yùn)行還是單動運(yùn)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)4：自動方式或單動方式均調(diào)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(luò)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(luò)6：手動方式調(diào)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(luò)7：停止處理</b></p><p>　　A I 0.3</p><p>　　S M

60、 0.5</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)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(shè)計過程中，使我受益匪淺，使我從其中學(xué)到了很多的東西。可編程控制器是繼電器控制和計算機(jī)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(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。通過這次的課程設(shè)計，使自己的編程能力有了進(jìn)一步提高，同時也包括ST

63、EP-7軟件的運(yùn)用能力，作為一名即將到現(xiàn)場工作的的學(xué)生，軟件的運(yùn)用能力和編程能力是必需掌握的技術(shù)，此次設(shè)計為我們提供了一個平臺，有助于我們更進(jìn)一步的了解現(xiàn)場，為日后走上工作崗位夯實了基礎(chǔ)。這次設(shè)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(jié)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(xiàn)</b></p&

64、gt;<p>　　[1] 賈石峰編著.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用.蘭州:蘭州大學(xué)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(shù).北京:人民郵電出版社，1999</p><p>　　[3] 張浩風(fēng)編著.PLC梯形圖設(shè)計方法與應(yīng)用實例.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[4] 可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)(