基于S7200PLC气动控制机械手项目.docx

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基于S7200PLC气动控制机械手项目

基于S7-200PLC的气动控制机械手项目

项目要求：

采用PLC为主组成的控制系统，控制若干个电磁阀，驱动机械手作伸出、下降、抓取工件、上升、缩进、下降、放下工件、上升等动作。

当选择手动调试时，通过各步的开关或按钮操作机械手进行单步的动作。

当选择自动时，按下启动按钮，机械手按BCD拨码开关（两位）设定的循环次数，自动进行上述动作的循环工作，循环工作次数完成，机械手自动停止工作。

在自动循环过程中，若按下停止按钮，机械手在完成当前一个循环后停止。

2.4.1机械手控制方案设计

1.机械手的基本构成

项目要求机械手实现机械手下降——夹紧工件——机械手上升——机械手前伸——机械手下降——松开工件——机械手上升——机械手后退，共8步。

为此，需要有以压缩空气为动力源的气缸。

（1）控制机械手前伸/后退的气缸。

机械手前伸/后退的气缸水平安装在机械手立柱托架上，该气缸活塞的端头安装升降气缸构件。

由双电控电磁阀控制气路来实现机械手前伸/后退。

（2）控制机械手上升/下降的气缸。

升降气缸垂直安装，气缸伸出端向下。

该气缸活塞有上升（缩进）到位和下降（伸出）到位两个位置。

由双电控电磁阀控制气路来实现升降。

（3）控制机械手对工件夹紧/松开的气缸。

图2.4-1气动控制机械手

夹紧/松开工件的气缸构件安装在升降气缸活塞的端头。

该气缸活塞端头装有夹紧/松开工件的机械爪，由单电控电磁阀控制气路来实现机械爪的夹紧/松开。

2.控制机械手气路的电磁阀

共使用双电控电磁阀2个、单电控电磁阀1个。

各个电磁阀由PLC控制。

（1）控制机械手前伸/后退气缸的电磁阀。

采用双电控电磁阀控制前伸/后退气缸的气路。

对控制气缸活塞伸出的电磁阀线圈通电，将使机械手前伸。

对控制气缸活塞缩进的电磁阀线圈通电，将使机械手前伸。

两者应互锁。

（2）控制机械手上升/下降气缸的电磁阀。

采用双电控电磁阀控制上升/下降气缸的气路。

对控制气缸活塞伸出（下降）的电磁阀线圈通电，将使机械手下降。

对控制气缸活塞缩进（上升）的电磁阀线圈通电，将使机械手上升。

两者应互锁。

（3）控制机械手夹紧/松开工件的气缸的电磁阀。

采用单电控电磁阀控制夹紧/松开气缸的气路。

对电磁阀线圈通电，将使机械手夹紧工件。

对电磁阀线圈断电，将使机械手松开工件。

3.机械手动作位置检测的机械式磁敏传感器

共使用机械式磁敏传感器5个，作为位置检测。

检测信号送PLC输入端。

（1）机械手前伸/后退气缸活塞位置传感器（2个）

安装对应缩进到位和伸出到位的位置传感器。

该两个位置之间就是气缸活塞的行程，活塞前伸或后退的速度可在气路中通过对流量阀的调节，达到对执行元件运动速度的控制。

（2）机械手上升/下降气缸活塞位置传感器（2个）

安装对应上升到位和下降到位的位置传感器。

（3）机械手夹紧/松开气缸活塞位置传感器（1个）

夹紧/松开气缸长度短，不便于安装两个位置传感器，而且只要采用一个位置传感器检测夹紧工件到位就可以达到目的。

对于松开工件，就是“夹紧”的否定，即只要对电磁阀线圈断电就执行“松开”动作。

随着线圈断电时间的推移，该气缸活塞逐步缩进而松开机械爪，不必检测是否“松开”到位。

因而采用定时器控制机械手松开工件的时间，时间到表示已松开工件。

4.控制命令部分

（1）手动单步/自动循环选择开关

用一个选择开关实现机械手是手动单步动作还是自动多循环动作。

当该开关合上时选择为自动多循环动作，由PLC完成控制。

当开关断开时选择为手动单步动作，PLC退出控制，由手动开关实现控制。

（2）手动单步时的操作开关

安排在电磁阀控制线路中，对应机械手8步动作，需8个钮子开关。

（3）多循环时的起动/停止

多循环时，用起动按钮起动机械手自动循环工作。

为了使机械手能实现完成当前一个循环工作后停止，专门用一个停止按钮。

5.循环次数设置

自动多循环工作时，通过两个BCD码拨码开关来设置循环次数，PLC控制机械手循环工作。

6.电源

因为自动多循环工作时，启动、停止按钮的指示灯电源为交流24V，所以需一个变压器，将交流220V降压为交流24V。

为了使PLC和一些元件稳定工作，添加直流24V的稳压电源。

机械手控制系统中的操作开关、按钮及指示灯等都使用安全电压。

为了对元件起到保护作用，在主电路上添加了电源开关和熔断器。

图2.4-2机械手控制方案框图

7.控制方案框图

8.机械手自动循环控制的方案流程图

初始状态：

机械手处于上升并缩进到位，机械爪张开。

位置传感器：

上升到位SQ3=1，缩进到位SQ1=1；

伸出到位SQ2=0，下降到位SQ4=0，夹紧到位SQ5=0。

图2.4-3机械手控制流程图

2.4.2机械手控制系统的主要元部件的选择

1．PLC的选定

选择用PLC作为主要控制设备而不用单片机来控制，其原因在于，PLC采用周期循环扫描的工作方式，通过CPU循环扫描并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成控制。

PLC的特点在于编程简单，使用方便、控制灵活，程序可变，功能强，便于扩充，性能价格比高，可靠性高，抗干扰能力强，是一种理想的控制系统主控设备。

而用单片机一般做成智能控制器或规模很小的控制系统，而且单片机系统的抗干扰能力一直是个难题。

所以用PLC作为主要的控制设备。

选择西门子S7-200PLC，其基本单元输入输出共24点，恰好能够满足项目的需要。

2．电磁阀、气缸与传感器的选定

控制机械手动作的动力源采用气源，因而电磁阀与气缸都应在气动器材系列中选择。

气缸活塞上都装有磁环，气缸伸出到位和缩进到位都装有磁感应传感器（磁性开关）。

按照本项目的动作要求，进行如下选择：

对应机械手垂直升降，需要控制升降的标准气缸（C-Y59B），双电控二位五通电磁阀（4V120-06）。

对应机械手横向伸缩，需要控制伸缩的双杆气缸（D-C73），双电控二位五通电磁阀（4V120-06）。

气缸活塞缩进到位和伸出到位的位置传感器都采用CXSM15-100磁性开关，每个气缸需2个（缩进到位和伸出到位各一个）。

对应机械手夹紧松开，需要控制夹紧松开的标准气缸（C-Y59B）和MHZ-10D机械爪组件,单电控二位5通电磁阀（4V110-06）。

机械爪组件抓紧到位的位置传感器采用一个MHZ2-16D磁性开关。

表2.4-1传感器和电磁阀元件表

3.BCD码拨码开关组

拨码开关组由两位BCD码拨盘开关组成，可以设置十进制数0到99。

用来设定机械手在自动方式下的循环次数。

表2.4-2BCD码拨盘开关组

采用如图所示的8421码BCD拨盘开关共两个组成开关组。

为了节省PLC的输入点，采用8421码的数据输入4个点，用PLC的两个输出点分别作十进制数的个位和十位的位选。

图2.4-4BCD码拨盘开关

2.4.3机械手控制系统的气动控制回路

1.机械手的气缸和电磁阀

（1）控制机械手上升/下降

①双作用的气缸A，双电控电磁阀YV2/YV3。

②气缸A活塞上升到位传感器SQ3，下降到位传感器SQ4。

③电磁阀线圈YV2通电（Q0.1），气路控制气缸A活塞伸出，机械手下降；电磁阀线圈YV3通电（Q0.2），气路控制气缸A活塞上升，机械手缩回。

（2）控制机械手抓紧/松开

①单作用气缸B、单电控电磁阀YV1。

②气缸B活塞带动机械爪抓紧到位传感器SQ5。

③YV1线圈接PLC的Q0.0。

YV1线圈通电，气缸A活塞带动机械爪抓紧工件。

YV1线圈断电，松开工件。

（3）控制机械手伸出/缩回

①双作用的气缸C，双电控电磁阀YV4/YV5。

②气缸C活塞缩回到位传感器SQ1，伸出到位传感器SQ2。

③电磁阀线圈YV4通电（Q0.3），气路控制气缸C活塞带动机械手缩回；电磁阀线圈YV5通电（Q0.4），气路控制气缸C活塞带动机械手伸出。

2.机械手气缸活塞运动的速度控制

机械手气缸活塞运动的速度控制可通过在气路控制回路中增加速度控制元件例如流量阀的调节，达到对执行元件运动速度的控制。

在这里，我们只讨论气路动作控制。

2.4.4机械手的PLC控制电路设计

1.确定PLC的输入输出点和外部设备的连接

（1）输入

启动按钮SB1接I0.0

停止按钮SB2接I0.1

缩回到位传感器信号SQ1接I0.2

伸出到位传感器信号SQ2接I0.3

上升到位传感器信号SQ3接I0.4

下降到位传感器信号SQ4接I0.5

抓紧到位传感器信号SQ5接I0.7

拨盘开关组20位数字输入D0接I1.0

拨盘开关组21位数字输入D1接I1.1

拨盘开关组22位数字输入D2接I1.2

拨盘开关组23位数字输入D3接I1.3

手动/自动选择开关S1接I1.5

（2）输出

抓紧/松开YV1线圈zsz接Q0.0

下降YV2线圈zsx接Q0.1

上升YV3线圈zss接Q0.2

缩回YV4线圈zsh接Q0.3

伸出YV5线圈zsc接Q0.4

拨盘开关组十进制数个位位选SL0接Q0.5

拨盘开关组十进制数十位位选SL1接Q0.6

选自动循环时机械手工作指示灯L0接Q1.0

选自动循环时机械手停止指示灯L1接Q1.1

注意：

①本项目主机的1M和2M都接电源+24V；②主机的1L、2L、3L都接GND。

2.PLC控制面板

按方案要求进行设计。

①手动/自动选择开关为S1，选用2×2钮子开关，用其一档常开触点接PLC的I1.5。

②自动循环运行的启动命令按钮为SB1，接PLC的I0.0。

启动运行后，PLC输出端Q1.0信号点亮指示灯L0。

图2.4-5操作面板

③自动循环运行的停止命令按钮为SB2，接PLC的I0.1。

在自动循环运行时按下停止按钮，PLC输出端Q1.1信号点亮指示灯L1，机械手在完成当前循环后停止。

3.循环次数设定器

①用BCD拨盘开关组作为循环次数设定器，设定范围0到99。

设定器的数据送PLC的I1.0到I1.3。

②PLC输出点Q0.5作为循环次数设定器（BCD拨盘开关组）的个位选择。

③Q0.6作为循环次数设定器（BCD拨盘开关组）的十位选择。

这样可节省PLC用在循环次数输入方面的I/O点数。

若两位十进制数的BCD拨盘开关数据并行输入PLC，共需要8个输入点。

本方法用PLC输入输出点共计6点，节省2点。

4.PLC对机械手的控制输出

PLC通过输出点Q0.0~Q0.4输出控制命令信号，控制机械手各部分气缸对应的电磁阀线圈的通断。

①当PLC控制机械手的程序命令机械手进行下降运动时，PLC通过输出端Q0.1发出下降命令ZSX。

②当PLC控制机械手的程序命令机械手抓紧工件时，PLC通过输出端Q0.0发出抓紧命令ZSZ。

当PLC控制机械手的程序命令机械手松开工件时，PLC通过输出信号Q0.0=0发出松开命令ZSZ。

③当PLC控制机械手的程序命令机械手进行上升运动时，PLC通过输出端Q0.2发出上升命令ZSS。

④当PLC控制机械手的程序命令机械手进行伸出运动时，PLC通过输出端Q0.4发出伸出命令ZSC。

⑤当PLC控制机械手的程序命令机械手进行缩回运动时，PLC通过输出端Q0.3发出缩回命令ZSH。

图2.4-6机械手的PLC控制电路图

机械手的PLC控制电路图见下图。

2.4.5机械手的电气控制电路的设计

1.电磁阀线圈控制电路设计

控制要求有手动和自动的切换。

采用2×2钮子开关（3A，250VAC）作为手动和自动的切换开关。

自动时，电磁阀线圈由PLC输出点Q0.0到Q0.4控制。

图2.4-7电磁阀线圈控制电路

手动时，电磁阀线圈由手动开关操作实现单步操作。

采用7个2×2钮子开关（3A，250VAC）作为手动单步操作开关，分别实现机械手的下降——夹紧工件——机械手上升——机械手前伸——机械手下降——松开工件——机械手上升——机械手后退等八个动作。

由于开关触点有限，只能做升和降、伸和缩的互锁。

若要完善，需扩展中间继电器。

图2.4-7中：

K1为抓紧/松开电磁阀YV1线圈；

K2为下降电磁阀YV2线圈；

K3为上升电磁阀YV3线圈；

K4为缩回电磁阀YV4线圈；

K5为伸出电磁阀YV5线圈。

S1为手动/自动选择开关（2×2）；

S2为手动第1次下降开关（2×2）；

S3为手动抓紧/松开开关（1×2），开关合上为抓紧，开关断开为松开；

S4为手动第1次上升开关（2×2）；

S5为手动伸出开关（2×2）；

S6为手动第2次下降开关（2×2）；

S7为手动第2次上升开关（2×2）；

S8为手动缩回开关（2×2）。

H1为手动抓紧/松开开关指示灯；

H2为手动下降开关指示灯；

H3为手动上升开关指示灯；

H4为手动缩回开关指示灯；

H5为手动伸出开关指示灯。

开关S1的触点1、2接通时。

为循环控制；

开关S1的触点2、3接通时，为手动控制。

例如：

开关S1的触点2、3接通时，机械手做手动单步调试。

当开关S2的触点1、2接通时，线圈K1得电，机械手开始第一次下降，在第一次下降过程中出现了误操作，误合了第二次下降开关S6时，机械手将停止动作。

手动操作时需观察机械手状态位置。

操作流程如下：

①第1次下降（闭合S2，下降到位就断开S2）→

②抓紧工件（闭合S3，抓紧到位就进入下一步）→

③第1次上升（闭合S4，上升到位就断开S4）→

④伸出（闭合S5，伸出到位就断开S5）→

⑤第2次下降（闭合S6，下降到位就断开S6）→

⑥松开工件（断开S3，等待1.5秒时间到进入下步）→

图2.4-7机械手的主电路

⑦第2次上升（闭合S7，上升到位就断开S7）→

⑧缩回（闭合S8，缩回到位就断开S8）。

2.机械手的主电路

机械手的主电路见图2.4-7。

图中：

WY1为24V稳压电源。

TC1为变压器（交流380V/24V）。

S0为PLC的电源开关。

FU为熔断器（250VAC2A）。

2.4.6机械手的控制程序设计

1.PLC控制程序中的循环次数数据处理方法

本项目中在控制面板上用了两个拨码开关作为自动循环工作方式时循环次数设定器。

通过该设定器，可设置机械手循环运行的次数0~99次。

由于本项目所用的S7—200PLC基本单元，在输入端只有14个输入点，若把两个拨码开关的数据接线都用导线接入PLC，就需8点输入。

若把两个拨码开关的数据接线并联在一起，就只用4点输入，同时采用Q0.5、Q0.6两个输出端点来位选该设定器拨码开关的“个位”或“十位”数据。

从PLC输入端取得数据之后，要对所取得的原始数据进行处理。

下面介绍处理的方法。

（1）采用闪烁电路控制输入机械手循环运行次数

先对“个位”取数，取入的原始数据是8bit的字节数，可表示为0000XXXXB；同样，对“十位”取数，取入的原始数据也是8bit的字节数，可表示为0000YYYYB。

取入的数都是非压缩BCD码数据，暂存在PLC内部存储单元。

（2）将“个位”、“十位”的数据处理成压缩BCD码

用移位指令把十位数0000YYYYB的低四位移到高四位，变为YYYY0000B。

个位数经过处理之后仍为0000XXXXB。

然后用逻辑或指令，把个位与十位的数据进行逻辑或操作。

经过逻辑或之后，原来的两个非压缩BCD码，变为用一个字节数表示两位十进制数的压缩BCD码YYYYXXXX。

2.机械手自动循环工作时的顺序控制功能图

图2.4-8机械手自动循环工作时的顺序控制功能图

本项目设计的PLC控制程序编程方法采用置位/复位指令法的顺序控制编程方法。

因而，机械手的顺序控制功能图设计见下图。

3.内部操作元件说明

（1）内部继电器

M0.0：

机械手在初始状态标志。

M0.1：

机械手第1次下降标志。

M0.2：

机械手夹紧工件标志。

M0.3：

机械手第1次上升标志。

M0.4：

机械手伸出标志。

M0.5：

机械手第2次下降标志。

M0.6：

机械手松开工件标志，用T39作松开时间控制。

M0.7：

机械手第2次上升标志。

M1.0：

机械手伸出标志。

M2.0：

机械手正处于8步动作过程中的标志。

M2.2：

初始时若机械手未缩进到位时命令机械手回到缩进到位。

M2.4：

初始时若机械手未上升到位时命令机械手回到上升到位。

M10.0：

机械手在自动循环方式下的启动运行标志。

M10.1：

初始步结束的时间标志。

（2）定时器

T37：

控制初始步结束时间（1~2s）的定时器。

T39：

机械手松开工件定时器。

T40、T41：

构成闪烁电路，用于采集拨盘开关数据。

闪烁电路周期取0.2~1s，由调试确定。

（3）计数器

C1：

选自动循环方式时，机械手工作循环计数器，计数预置值在VW16中。

4.采用位移-步骤图方法的顺序控制程序及其说明

（1）气缸及控制步骤

控制机械手上升/下降双作用气缸A；

控制机械手抓紧/松开单作用气缸B；

控制机械手伸出/缩回双作用气缸C。

实现机械手的下降——夹紧工件——上升——伸出——

下降——松开工件——上升——缩回等八个动作。

（2）机械手控制系统位移-步骤图

图2.4-9机械手控制系统位移-步骤图

机械手控制系统位移-步骤图见图2.4-9。

①气缸A：

活塞伸出即为下降，缩进即为上升。

IA+：

下降到位传感器信号SQ4接I0.5。

IA-：

上升到位传感器信号SQ3接I0.4。

②气缸B：

活塞伸出即为夹紧，缩进即为松开。

IB+：

夹紧到位传感器信号SQ5接I0.7。

IB-：

松开即是不夹紧，可用I0.7，松开到位以定时器信号T39表示，不用传感器。

③气缸C：

IC+：

伸出到位传感器信号SQ2接I0.3。

IC-：

缩回到位传感器信号SQ1接I0.2。

（3）控制程序

从位移-步骤图可见，没

有出现重叠信号，故在自动

多循环不必设置标志。

（a）初始步

输入循环次数设置值。

1）选择自动工作，将选择

开关I1.5闭合，并进入初始

步M0.0。

初始脉冲将有关内部继电

器清零。

若机械手不在原位，就

利用初始脉冲发归位命令使

机械手回到原位。

2）初始步中，用T40和T41

构成闪烁电路，以用于采集拨

盘开关数据。

闪烁电路周期应

调试确定（0.2~1s）。

3）初始步中，T40上跳变时

Q0.6置1，用于采集拨盘开关

十位数；T40下跳时Q0.5置1，

用于采集拨盘开关个位数。

4）在Q0.6=1时，从I1.0到

I1.3输入拨盘开关十位数，并

进行数据处理，送VW12。

5）在Q0.5=1时，从I1.0到

I1.3输入拨盘开关个位数，并

进行数据处理，送VW12。

6）将拨盘开关十位数和个位

数合并变换为整数，送VW16。

（b）自动循环工作时的控制

按循环次数顺序控制机械手完成8步工作。

循环次数计数完成，退出。

<1>机械手动作前的准备

1）当选择手动时不进入PLC控制，退出初始步。

当选择自动时（I1.5=1），按下启动按钮I0.0，自动运行标志M10.0=1，清归位命令。

按下停止按钮或自动循环次数完成，自动运行标志M10.0=0。

2）置机械手正处于8步

动作过程中的标志M2.0。

3）当选择多循环时，为保证拨盘开关数据的采集，用T37控制初始步的结束时间。

T37取1~2s。

T37常开触点接通表示机械手开始动作。

<2>机械手8步动作控制

1）采集循环次数并起动后退出初始步，进入机械手控制阶段，建立初始步结束时间标志M10.1。

2）第1步，机械手处于原位（I0.4=1，I0.2=1）并且机械爪松开（I0.7=0）时，命令下降。

3）第2步，机械手下降到位（I0.5=1，I0.2=1）并机械爪仍然松开（I0.7=0）时，命令夹紧工件。

4）第3步，机械手在下降位（I0.5=1，I0.2=1）并机械爪夹紧工件（I0.7=1）时，命令上升。

5）第4步，机械手上升到位（I0.4=1，I0.2=1）并机械爪仍然夹紧工件（I0.7=1）时，命令伸出。

6）第5步，机械手伸出到位（I0.4=1，I0.3=1）并机械爪仍然夹紧工件（I0.7=1）时，命令下降。

7）第6步，机械手下降到位（I0.5=1，I0.3=1），并机械爪仍然夹紧工件（I0.7=1）时，命令松开工件。

在第6步（松开工件），由T39控制松开时间。

8）第7步，机械手在下降位（I0.5=1，I0.3=1），并且松开工件到位（I0.7=0，T39=1），命令上升。

9）第8步，机械手上升到位（I0.4=1，I0.3=1），并且机械爪松开（I0.7=0）时，命令缩回。

第8步完成后，机械手回到原位（I0.4=1，I0.2=1），并且机械爪松开（I0.7=0）。

<3>自动循环后的处理

1）自动工作时对循环次数计数，以机械手伸出为计数信号。

计数预置值在VW16中。

2）在第0步，等待起动按钮动作。

用Q1.0作起动信号标志。

按下起动按钮，机械手开始工作。

3）按下停止按钮，机械手停止工作。

选择多循环时，计数器计满循环次数或按下停止按钮，置位停止标志Q1.1，清初始步结束时间标志M10.0。

按下起动按钮，复位停止标志Q1.1。

（c）输出

机械手夹紧工件。

机械手松开工件。

机械手上升。

机械手伸出。

机械手缩进。

机械手下降。