机械手的PLC控制系统设计Word文件下载.docx
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按照结构形成分为整体式和模块式；
按照输入/输出（I/O）点数分为小、中和大型；
* PLC特点：
可靠性高，通用性强，编程简单（常用编程语言有梯形图、语句表、逻辑符号图、顺序功能图和高级语言等），体积小，安装维护简便等；
* PLC工作方式：
PLC是采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需一个扫描周期。
PLC循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。
整个过程分为内部处理、通信、输入处理、执行程序、输出处理几部分；
* PLC发展趋势：
向高速度、大容量、多种类发展；
丰富编程语言，开发用户友好界面；
开发智能模块；
加强联网通讯能力；
预留现场总线接口（现已有产品应用，如：
SIEMENS SIMATIC S7-400）；
拥有智能诊断等功能；
保护功能加强，有效保护用户信息，防止非法复制、修改；
对现场环境的适应能力更强。
通过设计，实现机械手自动停止下降，机械手的初始位置停在原点，按下启动按扭后，机械手将依次完成上升—左旋转---下降---抓物---上升---右旋转---下降---放松，完成了一个周期。
关键词：
机械手，西门子，梯形图
目录
摘要II
1机械手的机械结构2
1.1机械手的简单介绍2
2机械手的工作过程4
4驱动元件和控制装置的选择7
5机械手PLC控制系统设计8
5.1机械手PLC输入/输出设备的确定8
5.2选择PLC机型9
5.3CPU226的简单介绍10
6机械手梯形图的设计12
6.2通用部分梯形图设计12
6.4机械手整体程序结构14
6.5“自动”状态梯形图15
6.6绘制机械手PLC控制梯形17
6.7程序22
7系统调试25
8结论26
参考资料28
1机械手的机械结构
1.1机械手的简单介绍
1.1能模仿人手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；
按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；
按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
1.2机械手的控制
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。
当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命，如图（1.1）是一台工件传送机械手的结构示意图。
其上升、下降和左旋转、右旋转的执行，分别有双线圈二位电磁阀控制气缸的运动完成。
如果某电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，直到相对的线圈通电为止。
图1.1机械手结构示意图
当机械手右移到位并准备下降时，为确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降。
2机械手的工作过程
机械手动作示意图如图2.1
从图中可见，机械手的动作周期主要有9个动作，即为；
下降
原点
右旋转
上升
夹紧
左旋转
放物
图2.1机械手的动作周期
根据机械结构和工艺过程分析控制要求，机械手动作顺序如下；
1）根据机械结构和工艺过程分析控制要求
机械手有水平和垂直移位两种。
例如，当下降电磁阀通电，机械手下降，若下降电磁阀断电，机械手停止下降，但保持现有的动作状态。
只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升。
同样左旋转、右旋转动作也是有对应的电磁阀控制。
夹紧、放松则是有单线圈二位电磁阀控制气缸运动来实现，线圈通电时执行加紧动作，断电时执行放松动作。
并且要求，只有当右工作台上无工件时才能允许机械手在右边下降。
因此，该设备的检测元件有上、下、左、右四个限位开关和一个无工件检测的光电开关。
2）机械手的工作过程分为8个工步：
即从原点开始经下降、夹紧、上旋转、右旋转、下降、放松、上升、左移8个动作后完成一个周期并回到原点。
机械手的运动周期如图2.1所示。
3）机械手操作方式
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。
自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。
手动操作：
就是用按钮操作，对机械手的每一种运动单独进行控制。
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。
单步操作：
每按一下启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：
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。
连续操作：
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。
3机械手的控制要求
机械手的控制具有手动操作和自动操作两种方式。
手动方式时，有“单步操作”与“返回原位”两种情况。
“单步操作”情况下，用各按钮来接通或断开各负载；
“返回原位”情况下，按下返回原位按钮，机械手自动回到原位状态。
自动方式时，有“步进操作”、“单周期操作”和“连续操作”三种情况。
“步进操作”时，每按一次起动按钮，向前执行一个动作；
“单周期操作”时，机械手在原位，按下启动按钮，自动的执行一个操作周期的操作，操作完成后停在原位（如果在操作过程中按下停止按钮，机械手停在该工序上，再按下启动按钮，则又从该工序继续工作，最后停在原位）；
“连续操作”时，机械手在原位，按下启动按钮，机械手就连续重复进行工作（如果按下停止按钮，机械手运行到原位后停止），故机械手操作面板分布情况。
如图3.1：
图3.1机械手PLC控制操作面板示意图
4驱动元件和控制装置的选择
根据控制要求（图4.1）机械手所有动作均采用电液控制，液压驱动，它的上升/下降和左旋转/右旋转，均采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完成。
当某个电磁发线圈通电就一直保持当前状态，直到相反的线圈通电为止。
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，左旋转，右旋转等动作限制，别给出了动作到位信号，另外还按上了光电开关，SP，负责检查工作台B上的工件是否移开从而产生无工件信号，为下一个工件的下放做准备。
图4.1机械手动作示意图
5机械手PLC控制系统设计
5.1机械手PLC输入/输出设备的确定
机械手PLCI/O设备及I/O点编号的分配如图5.1所示。
从图5.1、表5.2可知输入输出点分别为18点和5点。
故可选择合适的PLC机型：
图5.1机械手PLC输入/输出分配
表5.2机械手PLCI/O设备及I/O点编号的分
输入设备
输入点编号
下限位开关
I0.1
手动操作按钮
I1.4
上限位开关
I0.2
左旋
I1.5
右限位开关
I0.3
松开
I2.2
左限位开关
I0.4
I1.3
运行方式选择开关
单步操作
I1.0
右旋
单周期操作
I1.1
下降电磁阀
Q0.0
连续操作
I1.2
夹紧电磁阀
Q0.1
返回原位按钮
I2.3
上升电磁阀
Q0.2
返回操作
I1.6
原位显示
Q0.5
启动按钮
I0.0
右旋电磁阀
Q0.3
停止按钮
I0.6
左旋电磁阀
Q0.4
根据控制要求分析，此系统为开关量顺序控制系统。
5.2选择PLC机型
（1）输入信号
位置检测信号；
左限位．右限位．上限位．下限位．共4个行程开关需要4个输入端子；
“无工件”检测信号，用光电开关作检测元件需要1个输入端子；
“工作方式”选择开关有手动．单步．单周期和连续工作方式，需要4个输入端子；
手动操作时，需要有下降．上升．右旋．左旋．夹物．放物6个按钮，也需要6个输入端子；
自动工作时，尚需启动按钮．停止按钮和复位按钮，也需占3个输入端子。
（2）输出共有8个开关量控制信号；
传送带A，传输带B运行控制接触器线圈。
电磁阀：
左旋转，右旋转，上升，下降，抓物和放物。
机械手从原点开始工作，需要有1个原点指示灯，也要占一个输出点。
所以，至少需要6个输出信号。
依据性能结构，I/O点数，还有储存容量，特殊功能等方面，在选择中我们还要考虑到，功能要强结构要合理I/O控制要适当，输入，输出功能及负载能力要匹配，还有对通信，系统响应等要求，因为本系统输入输出点分别为18点和8点。
本次设计特别了选用西门子S7-200系列CPU226AC/DC/继电器型PLC。
该系统集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子还可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些4复杂的中小型控制系统。
集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统，完全能够满足本系统的控制要求。
5.3CPU226的简单介绍
描述
CPU226DC/DC/DC
CPU226AC/DC/继电器
物理特性
尺寸（WXHXD）
196x80x62mm
重量
550g
660g
功耗
11W
17W
存储器特性
程序存储器
在线程序编辑时
16384bytes
24576bytes
非在线程序编辑时
10240bytes
数据存储器
100小时/典型值
装备（超级电容）
200天/典型值
（可选电池）
I/O特性
本机数字量输入
24输入
本机数字量输出
16输出
本机模拟量输入
无
本机模拟量输出
数字I/O映象区
256（128输入/128输出）
256（128输入/128输出）
模拟I/O映象区
64（32输入/32输出）
64（32输入/32输出）
允许最大的扩展I/O模块
7个模块
允许最大的智能模块
脉冲捕捉输入
24
高速计数器
总数
6个
单相计数器
6，每个30KHz
两相计数器
4，每个20KHz
脉冲输出
2个20KHz（仅限于DC输出）
延时（最大）
断开到接通
2μs（Q0.0,Q0.1），15μs（其它）
接通到断开
10μs（Q0.0,Q0.1），130μs（其它）
切换
10ms
脉冲频率（最大）
20KHz（Q0.0和Q0.1）
1Hz
机械寿命周期
10,000,000（无负载）
触点寿命
100,000（额定负载）
同时接通的输出
55°
C时，所有的输出（水平安装）
45°
C时，所有的输出（垂直安装）
两个输出并联
是，仅输出同组时
否
电缆长度（最大）
屏蔽
500米
非屏蔽
150米
6机械手梯形图的设计
机械手的控制属于顺序控制，采用步进指令，根据说明机械手的工作状态转换的图形，很容易进行程序设计。
6.1梯形图的总体设计
根据机械手的工作方式情况，在选择“单步操作”方式时，应执行“单步操作”程序；
在选择“返回原位”方式时，应执行“返回原位”程序；
在选择“自动”方式时，应执行“自动程序”，其中自动程序要在按钮按下时才能执行。
6.2通用部分梯形图设计
1）状态器的初始化：
初始状态器在手动方式下被置位、复位。
当方式选择开关处于“返回原位”时，按下返回原位按钮（I2.0）时被置位；
在“单步操作”（I1.1接通）时，复位。
处于中间工步的状态器用手动作复位操作，即在方式选择开关位于“单步操作”或“返回原位”时，中间状态同步复位。
2）状态器的转换与启动：
若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后，按下起动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步步向下传递，即可以进行转换。
在执行“连续操作”程序时，转换启动继电器M575一直保持停机按钮按下为止。
另一方面，采用M100检查机器是否处于原位。
当M575和M100都接通时，从初始状态器进行转换。
3）状态器禁止转化：
激活特殊辅助继电器M574，并用步进指令控制状态器转换时，状态器的自动转换就被禁止。
在“单周期”工作期间，按下停止按钮，M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步，当按下启动按钮时，从现行工序重新开始工作，M574应复位，即重新允许转换。
在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。
单每按一下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一步。
在“手动”工作方式（单一操作，返回原位）情况下，禁止进行状态转换，在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。
PLC在启动时用初始化脉冲M71使M574自保持，以次禁止状态转换。
直到按下启动按钮。
在执行“单步操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通（按下启动按钮除外）；
执行“步进”程序时，每按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；
在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的状态可以一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态转换器的状态转换被禁止，操作停止现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；
在执行“连续操作”程序时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。
6.3手动操作梯形图
手动操作方式由于不须要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方法来设计梯形图。
“单步操作”时，按下夹持按钮时，夹持输出Q0.2自保持，只有按下松开按钮时，I2.0才回复位；
按下上升按钮，上升输出Q0.2保持接通；
按下下降按钮，Q0.0保持接通；
在上限位按下左旋按钮，左旋输出Q0.4保持接通；
在上限位按下右旋按钮，右旋输出Q0.3保持接通。
单步操作梯形图，如图6.1
图6.1机械手单步操作梯形图
6.4机械手整体程序结构
机械手的整体程序结构如图6.2所示。
I0.7断开，接着执行单操作程序。
单操作程序可以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。
在步进工作方式，执行步进操作程序，按下启动按钮执行一个动作，并按规定动作顺序进行。
图6.2机械手的整体程序结构
6.5“自动”状态梯形图
机械手的自动操作流程图如图6.3所示，图中矩行方框表示其自动循环过程中的一个“工步”，方框中可以用文字该步的动作，也可以用相应的编程元件的元件号为该步的编号。
方框的右边画出该步动作的执行元件。
相邻两工步之间用有向线段连接，表明转化的方向，有向线段的一小横线表示转化的条件，当转化条件满足时，便从上一工步转换到下一工步。
图6.3机械手自动工作流程图
1）下降:
按下启动按钮SB1，M100触点接通移位寄存器移位信号输入端，产生移位信号，M100的“1”态移至M101，M101接通Q0.0线圈，机械手执行下降动作。
同时I0.2触点断开，使M100置“0”（断开），断开，原点指示灯熄灭。
2）夹紧:
当机械手下降至压到下限位开关SQ1时，I0.1与M101接通，产生移位信号，M102为“1”，M100～M101为“0”，M100触点断开Q0.0线圈，停止下降；
M102的触点接通M200线圈，M200触点接通Q0.1线圈，工作钳夹紧工件，同时定时器T44开始计时。
3）上升:
当T45延时1S到，T45与M102的触点接通，产生移位信号，M103为“1”，M100～M102均为“0”，M103触点接通Q0.2线圈，机械手把夹紧的工件提升。
因为使用S指令，所以M200线圈保持接通，Q0.1也保持接通，使机械手继续把工件夹紧。
4）右旋转:
当机械手上升至撞到上限位开关SQ2时，I0.2和M103触点接通，产生移位信号，M104为“1”，M100～M103都置“0”。
M103触点断开Y432线圈，停止上升，同时M104触点接通Q0.3线圈，执行右旋转动作。
5）下降:
机械手右旋转撞到右限位开关SQ3，I0.3与M104触点接通移位信号，M105为“1”，M100～M104置“0”。
M104触点断开Q0.3线圈，停止右移，同时，M105触点接通Q0.0线圈，机械手下降。
6）松开:
机械手下降撞到SQ1时，I0.1与M105触点接通移位信号，M106置“1”，M100～M105为“0”。
M105触点断开Q0.0线圈，停止下降，同时M106触点接通M200线圈，R指令使M200复位，M200触点断开Q0.1线圈，机械手松开工件并放于B点。
同时T45开始计时。
7）上升:
T45延时1S，T45与M106触点接通移位信号，M107为“1”，M100～M106置“0”。
Q0.2线圈被接通，机械手又上升。
8）左旋转:
机械手上升至上限位时，I0.2与M107触点接通，移位后，M110置“1”，M100～M107置“0”，Q0.2线圈断开，停止上升，同时Q0.4线圈接通，左旋转。
机械手回到原位：
当旋转撞到SQ4时，I0.4与M110触点接通，移位后，M110为“0”，Q0.4线圈断开，停止旋转，同时M111置“1”，M111与I0.4触点接通移位寄存器复位输出端，寄存器全部复位。
此时机械手以回到原点，I0.2和I0.4又接通，M100又被置“1”，完成一个工作周期。
如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。
这种控制过程用继电器符号程序很难实现程序设计。
用状态器替代自动工作流程图中的各工步。
6.6绘制机械手PLC控制梯形
根据控制系统外部I/O，PLCI/O地址分配见表6.1
机械手控制系统Ｉ／Ｏ地址定义表
输入信号
输出信号
Ｉ／Ｏ地址
信号名称
功能说明
备注
Ｉ０.０
启动按钮ＳＢ１
启动系统运行
常开
Q0.0
传送带Ａ
控制传送带Ａ的运行
通有效
Ｉ０.１
预停按钮ＳＢ２
循环结束停止运行
Q０.１
传送带Ｂ
控制传送带Ｂ的运行
Ｉ０.２
工件到位ＳＱ６
检测工件到位时闭合
Q０.２
机械手左旋转
Ｉ０.３
抓物到位ＳＱ１
机械手抓物到位时闭合
Q０.３
机械手右旋转
Ｉ０.４
左限位ＳＱ２
机械手左转到位时闭合
Q０.４
机械手上升
Ｉ０.５
右限位ＳＱ３
机械手右转到位时闭合
Q０.５
机械手下降
Ｉ０.６
上限位ＳＱ４
机械手上升到位时闭合
Q０.６
抓物
机械手抓工件
Ｉ０.７
下限位ＳＱ５
机械手下降到位时闭合
Q０.７
机械手放工件
图6.6械手搬物S7-----200控制梯形图
将从初始
升级会员 