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气动机械手控制系统设计

目录之中。

机电工程学院

课程设计说明书

设计题目:

气动机械手控制系统设计

学生姓名：

学号：

专业班级：

指导教师：

2011年11月30日

内容摘要

在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。

自从工业机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。

在我国，近几年也有较快的发展，并取得了一定的效果，受到机械工业和铁路工业等部门的重视。

机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。

机械手一般由耐高温、抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

PLC可以按照所需要求完成机械手的设计，使机械手的设计简单化，大大节省了时间。

本文应用西门子S7—200系列PLC来实现气动机械手的搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）的控制功能。

利用可编程技术结合相应的硬件装置，控制气动机械手完成各种动作。

该系统具有结构简单、可靠稳定、容易控制等优点。

关键词：

气动机械手；S7—200系列PLC；CPU226；电磁

第1章引言

由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。

而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。

所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。

车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。

高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用。

第2章系统总体方案设计

2.1程序设计的基本思路

在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求，然后根据程序的控制要求画出程序工作状态流程图，最后根据程序工作状态流程图及程序的控制要求画出梯形图。

由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后。

而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。

因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑，这样有利于程序的运行。

另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化。

此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性，这样在修改程序时能节省很多时间。

下面介绍一种基于PLC的气动机械手的控制方法。

机械手的控制属顺序控制，采用步进指令，首先应画出机械手工作状态流程图，然后根据流程图所提供的思路进行程序设计。

2.2气动机械手的控制要求

1、气动机械手的升降和左右移动分别由不同的双线圈电磁阀实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动。

2、上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1，右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4。

3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现。

线圈通电时夹紧工作，断电时松开工作。

4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s实现。

5、机械手下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现。

2.3系统的硬件结构与操作功能

2.3.1硬件结构

机械手用来将工件从A点搬运到B点（如图2-1），输出Q0.1为1时工件被夹紧，为0时被松开。

工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板下部的9个按钮式手动按钮分别对用于紧急停车、启动、停止、下降、上升、右行、左行、夹紧、松开。

为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断负载电源，设置了交流接触器KM。

PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。

机械手示意图如图2-1所示。

图2-1机械手示意图

2.3.2气动机械手的操作功能

系统设有手动、单周期、连续、单步和回原点五种工作方式（如图2-2）。

在手动工作方式下，用I0.5—I1.2对应的6个按钮分别独立控制机械手的升、降、左右行和夹紧松开。

在单周期的工作方式下，按下启动按钮I2.6后，从初始步M0.0开始，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。

在单步工作方式下，从初始步开始，按一下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。

单步工作方式常用于系统的调试。

图2-2操作面板

第3章PLC控制系统设计

3.1可编程控制器的CPU选择

根据设计可知需要17个输入接口，5个输出接口，通过查阅手册选择S7-200CPU226基本单元（24DI/16DO出）1台。

CPU226有24个输入端口，16个输出端口，满足气动机械手对输入输出端口的要求，不需要再增加扩展单元，它属于整体式结构。

整体式PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。

一般小型或超小型PLC多采用这种结构。

模块式PLC把各个组成部分做成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等。

综上所述，应选择S7-200CPU226基本单元。

3.2气动机械手的I/O地址分配表

气动机械手的I/O地址分配表如表3-1所示。

表3-1I/0地址分配表

控制信号

信号名称

元件名称

元件符号

地址编码

输

入

信

号

下降停止

下限位开关

SQ1

I0.1

上升停止

上限为开关

SQ2

I0.2

右行停止

右限位开关

SQ3

I0.3

左行停止

左限位开关

SQ4

I0.4

上升

上升按钮

SB4

I0.5

左行

左行按钮

SB6

I0.6

松开

松开按钮

SB8

I0.7

下降

下降按钮

SB3

I1.0

右行

右行按钮

SB5

I1.1

夹紧

夹紧按钮

SB7

I1.2

手动操作

手动开关

SA1-0

I2.0

回原位操作

回原位开关

SA1-1　

I2.1

单步操作

单步开关

SA1-2　

I2.2

单周期操作

单周期开关

SA1-3　

I2.3

连续操作

连续开关

SA1-4　

I2.4

启动

启动按钮

SB1

I2.6

停止

停止按钮

SB2

I2.7

输出信号

下降

下降电磁阀

YV1

Q0.0

夹松

夹松电磁阀

YV5

Q0.1

上升

上升电磁阀

YV2

Q0.2

右行

右行电磁阀

YV3

Q0.3

左行

左行电磁阀

YV4

Q0.4

3.3PLC的输入输出设备接线图

PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计应结合系统的控制要求来进行具体分析和设定。

PLC的外部接线图应尽量做到简洁明了以便于观察，出现故障时也便于维修，这样的外部接线图才是合理的外部接线图。

气动机械手控制外部接线图如图3-1所示。

图3-1PLC的输入输出设备的接线图

3.4气动机械手控制流程图

原理：

接通电源使系统启动开始扫描，扫描手动时判断手动按钮是执行手动操作；扫描回原点开关，是执行回原点操作；扫描单步开关，是执行单步操作；扫描单周期开关，是检测是否在原点，是执行单周期操作；扫描连续操作，是检测是否在原点，是执行连续操作。

除了连续操作以外，其他操作执行完以后自动重新扫描。

Y

Y

N

Y

N

Y

YY

NN

YYY

NN

YY

YY

NN

Y

图3-2气动机械手控制流程图

3.5程序设计梯形图

公用子程序（图3-3）用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及处理不同工作方式之间的转换。

左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的M4.5的常闭触点的串联电路接通时，原点条件M0.5变为ON。

当机械手处于原点位置状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或者自动回原点状态，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。

当系统处于手动工作方式时，必须将初始步以外的各步位赢得存储器位（M2.0-M2.7）复位，否则系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的情况，一起错误的动作。

在非连续方式下，I2.4的常闭触点闭合，将表示连续工作状态的标志M0.7复位。

图3-3公用子程序梯形图

图3-4是手动子程序，为了保证安全运行，设置上升与下降之间、左行与右行之间互锁,以防止功能相反的两个输出同时为ON。

用上限位开关I0.2的常开触点与控制左，右行的M3.6和左行的M4.4的继电器串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞。

图3-4手动子程序梯形图

单步，单周期，连续工作方式子程序梯形图如图3-5所示。

图3-5单步，单周期，连续工作方式子程序梯形图

单周期、连续和单步这三种工作方式主要是以“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分的。

（1）单步与非单步的区别

M0.6的常开触点接在每一个控制代表步的存储器位的启动电路中，他们断开时禁止步的活动状态的转换。

如果系统处于单步工作方式，I2.2为1状态，他的常开触点断开。

“转换允许”存储器位M0.6在一般情况下为0状态，不允许步与步之间的转换。

当某一步的工作结束后，转换条件满足，如果没有按启动按钮I2.6，M0.6处于0状态，起保停电路的启动电路处于断开状态，不会转换到下一步。

一直要等到按下启动按钮I2.6，M0.6在I2.6的上升沿ON一个扫描周期，M0.6的常开触点接通，系统才会转换到下一步。

系统工作在连续，单周期工作方式下，I2.2的常开触点接通，是M0.6为1状态，串联在各起保停电路的启动电路中的M0.6的常开触点接通，允许步与步之间的正常转换。

（2）单周期与连续的区分

在连续工作方式下，I2.4为1状态。

初始步为活动步时按下启动按钮I2.6，M2.0变为1状态，机械手下降。

于此同时，控制连续工作的M0.7的线圈通电并自保持。

当机械手在M2.7返回最左边时，I0.4为1状态。

因为连续标志位M0.7为1状态，转换条件M0.7-I0.4满足，系统将返回步M2.0，反复连续的工作下去。

按下停止按钮I2.7后，M0.7变为0状态。

但是机械手不会立即停止工作，在完成当前工作周期的全部操作后，机械手返回最左边，左限位开关I0.4为1状态，转换条件满足系统才从M2.7返回并停留在初始步。

在单周期工作方式，M0.7一直处于0状态。

当机械手在最后一步,M2.7返回最左边时，左限位开关I0.4为1状态，转换条件满足，系统返回并停留在初始步，按一次启动按钮，系统只工作一个周期。

（3）单周期工作过程

在单周期工作方式下，I2.2的常闭触点闭合，M0.6的线圈通电，允许转换。

在初始步时按下启动按钮I2.6，在M2.0的启动电路中，M0.0、I2.6、M0.5和M0.6的常开触点均接通，使M2.0的线圈通电，系统进入下降步，Q0.0的线圈通电，机械手下降。

碰到下限位开关I0.1时，转换到夹紧步，M2.1、Q0.1被置位，夹紧电磁阀的线圈通电，并保持。

同时接通延时定时器T37开始定时，1.7s后定时时间到，工件被夹紧，转换条件T37满足，转换到步M2.2。

以后系统将这样一步一步地工作下去。

在左行步M2.7，当机械手左行返回到原点位置，左限位开关I0.4变为1状态，连续工作标志M0.7为0状态，将返回初始步M0.0，机械手停止运动。

（4）单步工作过程

在单步工作方式下，I2.2为1状态.，它的常闭触点断开，“转换允许”辅助继电器M0.6在一般情况下为0状态，不允许步与步之间的转换。

设初始步时系统处于原点状态，M0.5和M0.0为1状态，按下启动按钮I2.6，M0.6变为0状态。

在下降步，Q0.0的线圈通电，当下限位开关I0.1变为1状态时，与Q0.0的线圈串联的I0.1的常开触点断开，使Q0.0的线圈断电，机械手停止下降。

I0.1的常开触点闭合后，如果没有按启动按钮，I2.6和M0.6变为1状态，M0.6的常开触点接通，转换条件I0.1才能使M2.1的起动电路接通，M2.1线圈通电并保持，系统才能由步M2.0进入步M2.1。

以后在完成某一步的操作后，都必须按一次启动按钮，系统才能转换到下一步。

在自动回原点工作方式下，I2.1为ON。

按下启动按钮I2.6，M1.0变为ON,机械手上升,上升到上限位开关时,I0.2为ON，机械手左行。

到左限位开关时，I0.4变为ON，将步M1.1复位，同时将M4.2复位，机械手松开。

这时原点条件满足，M0.5为ON，在公用程序中，初始步M0.0是步M0.1的后续步。

图3-6为回原点子程序的梯形图。

图3-6自动回原点子程序梯形图

下图3-7是主程序梯形图，SM0.0的常开触点一直闭合，公用程序是无条件执行的。

在手动工作方式下，I2.0为ON，执行手动子程序。

在自动回原点方式下，I2.1为ON，执行自动回原点子程序，在其它3种工作方式下分别执行单步，单周期，连续子程序。

图3-7主程序梯形图

结论

本设计主要应用于机加工生产、货物调运等场合。

气动机械手因采用PLC控制，具有体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单和容易维修等优点。

使用该机械手代替人工搬运工件，既安全又准确，提高了劳动生产率，保证了工件的质量，降低了工人的劳动强度，具有较好的经济效益和社会效益。

可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块、高可靠性，可以在机械手控制系统的设计中起到十分重要的作用。

设计总结

通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的一些错误之处；另一方面又积累了丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础；再一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。

本文就设计过程中的几项关键的问题提出自己的一些看法，可以有效地提高系统的抗干扰能力，对PLC读、写、事件响应等通信时间可进行精确的控制。

随着机械手应用的普及，机械手向着专用化，机械结构向模块化、可重构化的方向发展，机械手的动作更加灵活多样，其控制方式也在向多元化的方向发展。

在PLC控制的过程中，还有许多的问题需要解决，PLC在机械手开发中的应用还有很大的空间。

经过这两周的努力，我顺利的完成了课程设计。

这份设计既是对本学期学的机电传动与控制所学知识的总结，又是对自己知识的积累，同时也大大加深了对单片机技术的了解。

课程设计既动脑又动手，是理论与实际结合的过程。

仅仅有理论是不够的，更重要的是实际。

这就需要我们设计者考虑问题要仔细、周密，不能有丝毫的大意。

对设计方案的优越化，也需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际。

鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种设计，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请老师给予批评和指正。

谢辞

此次课程设计是在班主任老师的悉心指导下完成的。

王老师每天都去设计室，为我提出了许多指导性的意见，为课程设计说明书的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。

王老师的严谨治学、不断探索的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多，他的态度让我对生活有了新的认识。

在此，特向我敬爱的王老师致以最崇高的敬意和深深的感谢！

同时，同组的董天臣、张王鹏、吴腾飞、邓乔予也给了我很多帮助。

遇到较难的问题时，我们在一起讨论总结，这样既促进了我们几个的关系又学到了很多知识。

在此，我也向他们几个表示感谢！

附录

公用子程序语句表

Network1

LDI0.4

AI0.2

ANM4.5

=M0.5

Network2

LDSM0.1

OI2.0

OI2.1

LPS

AM0.5

SM0.0,1

LPP

ANM0.5

RM0.0,1

Network3

LDI2.0

RM2.0,1

Network4

LDNI2.4

RM0.7,1

手动子程序语句表

Network1

LDI1.2

SM3.1,1

Network2

LDI0.7

RM3.2,1

Network3

LDI0.5

ANI0.2

ANM3.4

=M3.3

Network4

LDI1.0

ANI0.1

ANM3.3

=M3.4

Network5

LDI0.6

ANI0.4

AI0.2

ANM3.5

=M3.6

Network6

LDI1.1

ANI0.3

AI0.2

ANM3.6

=M3.5

单步单周期连续子程序语句表

Network1

LDI2.6

AI2.4

OM0.7

ANI2.7

=M0.7

Network2

LDI2.6

EU

ONI2.2

=M0.6

Network3

LDM2.7

AI0.4

AM0.7

LDM0.0

AI2.6

AM0.5

OLD

AM0.6

OM2.0

ANM2.1

=M2.0

Network4

LDM2.0

AI0.1

AM0.6

OM2.1

ANM2.2

=M2.1

Network5

LDM2.1

AT37

AM0.6

OM2.2

ANM2.3

=M2.2

Network6

LDM2.2

AI0.2

AM0.6

OM2.3

ANM2.4

=M2.3

Network7

LDM2.3

AI0.3

AM0.6

OM2.4

ANM2.5

=M2.4

Network8

LDM2.4

AI0.1

AM0.6

OM2.5

ANM2.6

=M2.5

Network9

LDM2.5

AT38

AM0.6

OM2.6

ANM2.7

=M2.6

Network10

LDM2.6

AI0.2

AM0.6

OM2.7

ANM2.0

ANM0.0

=M2.7

Network11

LDM2.7

AI0.4

ANM0.7

AM0.6

OM0.0

ANM2.0

=M0.0

回原点子程序语句表

Network1

LDI2.1

AI2.6

SM1.0,1

RM4.0,1

Network2

LDM1.0

AI0.2

SM1.1,1

RM1.0,1

RM4.1,1

Network3

LDM1.1

AI0.4

SM1.1,1

RM4.2,1

Network4

LDM1.0

ANI0.2

=M4.3

Network5

LDM1.1

ANI0.4

=M4.4

主程序语句表

Network1

LDSM0.0

CALLSBR_1:

SBR1

Network2

LDI2.0

CALLSBR_2:

SBR2

Network3

LDI2.1

CALLSBR_3:

SBR3

Network4

LDI2.4

OI2.3

OI2.2

CALLSBR_4:

SBR4

Network5

LDM2.0

OM2.4

ANI0.1

LDM3.4

OM4.0

OLD

=Q0.0

Network6

LDM2.1

OM3.1

SQ0.1,1

TONT37,17

Network7

LDM2.5

OM3.2

OM4.2

OM4.5

RQ0.1,1

TONT38,17

Network8

LDM2.2

OM2.6

ANI0.2

LDM3.3

OM4.3

OLD

=Q0.2

Network9

LDM2.3

ANI0.3

OM3.5

OM4.1

=Q0.3

Network10

LDM2.7

ANI0.4

OM3.6

OM4.4

=Q0.4

参考文献

[1]王宗才．机电传动与控制．北京：

电子工业出版社，2011

[2]黄净．电器与PLC控制技术．北京：

机械工业出版社，2002

[3]阮友德．电气控制与PLC实训教程．北京：

人民邮电出版社，2006

[4]李媛．PLC原理与应用．北京：

北京邮电大学出版社，2009

[5]周惠文．可编程控制器原理与应用．北京：

电子工业出版社，2007

[6]胡学林．电气控制及PLC．北京：

冶金工业出版社，1997

[7]廖常初．PLC编程及应用．北京：

机械工业出版社，2002

[8]孙振强．可编程控制器原理及应用教程．北京：

清华大学出版社，2005