气动机械手控制系统设计.docx
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气动机械手控制系统设计
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：
*******
2011年12月1日
内容摘要
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。
气动机械手控制系统的设计要求是在控制系统的指令下，能将工件迅速、灵活、准确、可靠地抓起并运送到指定位置。
在工业生产中，利用气动机械手将工件从一条生产线搬运到另一条生产线是一种高效的工作方式。
因此采用PLC可编程控制器作为工件抓取机械手的控制系统，根据机械手的控制要求和所能实现的操作功能，设置动作流程，分配输入输出接点，按所需来选PLC的型号，接着进行梯形图的编辑，最后进行程序的编辑与调试，从而使机械手能够完成符合设计要求的动作。
关键词：
机械手；可编程控制器；PLC；控制设计
第1章引言1
1.1气动机械手的控制要求1
1.2气动机械手的工作方式1
1.3系统流程图2
第2章PLC控制系统的设计3
2.1气动机械手的硬件系统设计3
2.1.1气动机械手的硬件系统3
2.1.2电器元件的选择3
2.2气动机械手的软件结构设计4
2.2.1PLC的I/O地址分配4
2.2.2PLC的外部接线图5
2.3程序设计及梯形图6
2.3.1程序设计说明6
2.3.2程序梯形图7
结论16
总结17
谢辞18
附录19
参考文献24
第1章引言
1.1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，必须驱动反向德线圈才能反向运动。
2、上升、下降的电磁阀线圈分别为YV1、YV2；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，线圈通电夹紧，断电松开；
4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s实现；
5、机械手的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现；
1.2气动机械手的工作方式
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1-1）。
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。
单步
单周期回原位
连续
手动
夹紧SB7右行SB5下降SB3启动SB1负载电源
松开SB8左行SB6上升SB4停止SB2紧急停车SB9
图1-1气动机械手的控制面板
1.3系统流程图
如图1-2所示：
接通电源是系统启动开始扫描，扫描手动式判断手动按钮的是执行手动操作，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
YY
Y
NN
YYY
NN
YY
YY
NN
Y
图1-2气动机械手控制流程图
第2章系统总体方案设计
2.1气动机械手的硬件系统设计
2.1.1气动机械手的硬件运行方式
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时背松开。
工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板左下部的6个按钮式手动按钮。
为了保证在紧急情况下可靠地切断负载电源，设置了交流接触器KM。
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。
左行SQ3
SQ4
右行
下降
夹紧上升SQ2
松开
SQ1
图2-1气动机械手示意图
2.1.2可编程控制器的CPU选择
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。
基于PLC控制的气动机械手系统。
与同类系统相比，节省了大量的电气元件，大大降低了开发成本。
适用性更强。
因此，本设计应采用PLC进行控制：
由控制要求可知，系统共需要输入端口18个，输出端口5个。
西门子S7-200系列PLC硬件配置灵活，既可以用一个单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量I/O模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。
西门子S7-200CUP226/AC/DC/RLY有输入端口24个，输出端口16个，符合要求;为使控制系统的结构更简单，可靠性更高，故本次设计采用西门子S7-200CUP226/AC/DC/RLY完成PLC硬件结构配置。
2.2气动机械手的软件结构设计
2.2.1气动机械手的I/O地址分配
由上硬件系统的选择可知控制系统由一个CPU226分配地址如表2-1
表2-1I/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
下降
下降按钮
SB3
I0.5
上升
上升按钮
SB4
I0.6
右行
右行按钮
SB5
I0.7
左行
左行按钮
SB6
I1.0
夹紧
夹紧按钮
SB7
I1.1
松开
松开按钮
SB8
I1.2
手动操作
手动开关
I2.0
回原点操作
回原点开关
I2.1
单步操作
单步开关
I2.2
单周期操作
单周期开关
I2.3
连续操作
连续开关
I2.4
急停
急停按钮
SB9
I2.5
启动
启动按钮
SB1
I2.6
停止
停止按钮
SB2
I2.7
输出信号
夹松
夹松电磁阀
YV5
Q0.0
下降
下降电磁阀
YV1
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
2.2.2PLC外部接线图
PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。
气动机械手控制外部接线图如图2-2所示。
图2-2cpu226外部接线图
2.4程序设计及梯形图
2.4.1程序设计说明
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，执行回原点子程序，在其他3种工作方式下执行自动子程序。
由于S7-200PLC的顺控指令不支持直接输出的双线圈操作，所以要用中间继电器逻辑过度一下，如本次设计的机械手下降，上行，夹紧、松开、左行、右行等都需要用中间继电器过渡。
公用程序见下图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，进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。
如果此时M0.5为OFF状态，M0.0将被抚慰，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统将不能在单步，单周期，和连续工作方式下工作。
当系统处于手动工作方式时，必须将初始步以外的各部队赢得存储器位（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。
为了保证安全运行，在手动程序中设置了一些必要的连锁。
设置上升与下降之间,左行与右行之间的互锁,以防止功能相反的两个输出同时为ON.有限位开关限制机械手移动的范围。
用限位开关I0.1--I0.4限制机械手移动的范围。
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。
单周期、连续和单步这三种工作方式主要是“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，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，则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。
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4此同时，控制连续工作的M0.7的线圈通电并自保持。
当机械手在步,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能从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。
2.4.2程序梯形图
结论
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，需驱动反向德线圈才能反向运动。
线圈通电夹紧，断电松开；机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s实现；机械手的限位由四个行程开关来实现。
总结
在本次课程设计中，不仅使我对机电传动控制这门课进行了更加深入的了解。
在绘制I/O接线图和编写课程设计说明书的过程中也让我对AUTOCAD和OFFICE办公软件的使用更加熟练。
通过此次气动机械手的PLC的设计使我对于电路的控制有了更加具体的了解，对于现代工厂自动化生产有了更深层次的认识。
在这次的课程设计中,我更加深刻地了解到我的不足之处,以后要加倍努力尽可能牢固地掌握PLC的相关知识，并将所学知识更好的用于自己今后的工作当中。
谢辞
经过两周的毕业设计，在王老师的指导下,学习和巩固了PLC课程学习的内容，学习PLC控制程序设计的基本方法和技巧。
在本次课程设计中，得到了同组同学的大量帮助，在我们小组之间的交流和讨论中我学到了很多东西，在课程设计说明书的编写中有关WORD文档的格式调整得到了曾祥印同学的指点。
附录（语句表）
ORGANIZATION_BLOCK主程序:
OB1
TITLE=程序注释：
主程序
BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释：
调用公用子程序
LDSM0.0
CALLSBR1
Network2
//调用手动子程序
LDI2.0
CALLSBR2
Network3
//调用自动回原位子程序
LDI2.1
CALLSBR3
Network4
//调用单步，单周期和连续子程序
LDI2.4
OI2.3
OI2.2
CALLSBR4
Network5
//机械手下降
LDM2.0
OM2.4
ANI0.2
LDM2.4
OM4.0
OLD
ANI2.5
=Q0.1
Network6
//机械手松开
LDM2.1
ONM3.1
=Q0.0
TONT37,17
Network7
//机械手夹紧
LDM2.5
OM3.2
OM4.2
ONM4.5
RQ0.0,1
TONT38,17
Network8
//机械手上升
LDM2.2
OM2.6
ANI0.2
LDM3.3
ONM4.3
OLD
ANI2.5
=Q0.2
Network9
//机械手右行
LDM2.3
ANI0.3
OM3.5
OM4.1
ANI2.5
=Q0.3
Network10
//机械手左行
LDM2.7
ANI0.4
OM3.6
OM4.4
ANI2.5
=Q0.4
END_ORGANIZATION_BLOCK
SUBROUTINE_BLOCKSBR_0:
SBR0
TITLE=子程序注释
BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释
END_SUBROUTINE_BLOCK
SUBROUTINE_BLOCKSBR_1:
SBR1
TITLE=子程序注释公用子程序
BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释：
判断机械手是否在原点
LDI0.4
AI0.2
ANM4.5
=M0.5
Network2
//机械手回原点
LDSM0.1
OI2.0
OI2.1
LPS
AM0.5
SM0.0,1
LPP
ANM0.5
RM0.0,1
Network3
//系统进入手动，回原点工作方式
LDI2.0
RM2.0,1
Network4
//系统进入单步，单周期和连续工作方式
LDNI2.4
RM0.7,1
END_SUBROUTINE_BLOCK
SUBROUTINE_BLOCKSBR_2:
SBR2
TITLE=子程序注释：
手动子程序
BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释机械手夹紧
LDI1.1
SM3.1,1
Network2
//上限位开关常闭
LDI0.2
RM3.2,1
Network3
//机械手上升直至上限位开关打开
LDI0.6
ANI0.2
ANM3.4
=M3.3
Network4
//机械手下降直至下限为开关打开
LDI0.5
ANI0.2
ANM3.3
=M3.4
Network5
//机械手左行直至左限位开关打开
LDI1.0
ANI0.4
AI0.2
ANM3.5
=M3.6
Network6
//机械手右行直至右限位开关打开
LDI0.7
ANI0.3
AI0.2
ANM3.6
=M3.5
END_SUBROUTINE_BLOCK
SUBROUTINE_BLOCKSBR_3:
SBR3
TITLE=子程序注释：
自动回原点子程序
BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释：
工作方式调到回原点状态，按下启动按钮，M1.0变为ON,机械手上升到上限位
LDI2.1
AI2.6
SM1.0,1
RM4.0,1
Network2
//机械手上升到上限位开关时上限位开关打开，左行，到左限位开关时
LDM1.0
AI0.2
SM1.1,1
RM1.0,1
RM4.1,1
Network3
//左限位开关打开，将步M4.2复位，
LDM1.1
AI0.4
SM1.1,1
RM4.2,1
Network4
//回到初始位置，上限位开关常闭变常开
LDM1.0
ANI0.2
=M4.5
Network5
//回到初始位置，左限位开关常闭变常开
LDM1.1
ANI0.4
=M4.4
END_SUBROUTINE_BLOCK
SUBROUTINE_BLOCKSBR_4:
SBR4
TITLE=子程序注释：
单步，单周期，连续工作方式子程序
BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释：
机械手处于连续工作状态
LDI2.6
OM0.7
AI2.4
ANI2.7
=M0.7
Network2
//允许机械手工作状态发生步与步直接转换
LDI2.6
ONI2.2
EU
=M0.6
Network3
//机械手下降
LDM2.7
AI0.4
AM0.7
LDM0.0
AI2.6
AM0.5
OLD
AM0.6
OI2.0
ANM2.1
=M2.0
Network4
//机械手松开
LDM2.0
AI0.1
AM0.6
OM2.1
ANM2.2
=M2.1
Network5
//延时1.7秒后，机械手夹紧
LDM2.1
AT37
AM0.6
OM2.2
ANM2.3
=M2.2
Network6
//机械手右行
LDM2.2
AI0.2
AM0.6
OM2.2
ANM2.4
=M2.3
Network7
//机械手下降
LDM2.3
AI0.3
AM0.6
OM2.3
ANM2.5
=M2.4
Network8
//机械手夹紧
LDM2.4
AI0.1
AM0.6
OM2.5
ANM2.6
=M2.5
Network9
//延时1.7秒后，机械手上升
LDI2.5
AT38
AM0.6
OM2.6
ANM2.7
=M2.6
Network10
//机械手左行
LDM2.6
AI0.2
AM0.6
OM2.7
ANM2.0
ANM0.0
=M2.7
Network11
//判断机械手工作状态
LDM2.7
AI0.4
ANM0.7
AM0.4
OM0.0
ANM2.0
=M0.0
END_SUBROUTINE_BLOCK
INTERRUPT_BLOCKINT_0:
INT0
TITLE=中断程序注释
BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释
END_INTERRUPT_BLOCK
参考文献
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机械工业出版社，2002.
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