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plc机械手

摘要

可编程序控制器（PLC）具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。

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，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。

工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。

尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。

本次课程设计模拟物料搬运机械手，采用西门子系列S7-200PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。

我们用实验台模拟机械手工作，利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

关键词:

机械手S7-200可编程控制器

目录

1概述1

1.1可编程控制器（PLC）概述1

1.2机械手概述1

2硬件设计3

2.1控制要求3

2.2选择PLC型号4

2.2.1PLC的类型4

2.2.2输入输出模块的选择4

2.2.3电源的选择4

2.2.4存储器的选择5

2.2.5经济性的考虑5

2.2.6综合选择5

2.3系统设计流程示意图6

2.4I/O分配表7

2.5I/O接线图7

3软件设计8

3.1设计梯形图8

3.2设计指令表10

4系统调试14

5结束语15

6参考文献16

1概述

1.1可编程控制器（PLC）概述

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器

可编程器的基本原理：

PLC与普通微机在许多方面有相似之处,但其工作方式却与微机有很大的不同。

微机一般采用等待命令的工作方式,如在常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式下,有键按下或I/O动作则转入相应的子程序;无键按下或I/O不动作则继续扫描键盘和I/O口。

PLC则采用循环扫描动作方式,在PLC中用户序按先后顺序存放,

1.2机械手概述

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手分类：

机械手一般分为三类。

第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。

它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。

它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工操作的，称为操作机。

它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。

第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。

这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

本次课程设计的机械手为物料搬运机械手（即把A点的物料移至B点），其模型可归为第一类，即通用机械手。

在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。

通过本次课程设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。

2硬件设计

2.1控制要求

图中为一个将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。

当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。

另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。

设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作，即为：

机械手动作的模拟实验面板图

2.2选择PLC型号

对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。

例如输入、输出的最多点数；扫描速度；内存容量；指令条数；功能模块等。

同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。

2.2.1PLC的类型

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

2.2.2输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。

例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。

对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。

输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。

考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。

2.2.3电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。

重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。

为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

2.2.4存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。

需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

2.2.5经济性的考虑

选择PLC时，应考虑性能价格比。

考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。

每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。

当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

机械手PLC选择及参数

2.2.6综合选择

综合上述原则机械手控制系统主机为西门子的S7-200。

SIMATICS7-200系列PLC是德国西门子（Siemens）公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。

西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。

西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。

S7-200作为西门子SIMATICPLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行各业。

由于它具有结构小巧，运行速度快，价格低廉及多功能多用途等特点，因此在工业企业中得到了广泛的应用。

S7-200丰富的种类：

·CPU221：

内置10个数字量I/O点，不可扩充；

·CPU222：

内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O；

·CPU224：

内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O；

·CPU226：

内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O；

主机为S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。

模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道。

电源为220V交流电。

2.3系统设计流程示意图

系统流程示意图

2.4I/O分配表

功能

启动按钮

复位按钮

下行限位开关

上行限位开关

右行限位开关

左行限位开关

PLC

I0.0

I0.5

I0.1

I0.2

I0.3

I0.4

功能

下行控制

夹紧

上行控制

右行控制

左行控制

原位指示

PLC

Q0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

2.5I/O接线图

I/O接线图

3软件设计

3.1设计梯形图

3.2设计指令表

网络一

LDI0.2

AI0.4

ANM10.1

ANM10.2

ANM10.3

ANM10.4

ANM10.5

ANM10.6

ANM10.7

ANM11.0

ANM11.1

=M10.0

网络二

LDI0.4

AM11.1

OI0.5

RM10.1,9

网络三

LDM10.0

AI0.0

LDM10.1

AI0.1

OLD

LDM10.2

AT37

OLD

LDM10.3

AI0.2

OLD

LDM10.4

AI0.3

OLD

LDM10.5

AI0.1

OLD

LDM10.6

AT38

OLD

LDM10.7

AI0.2

OLD

LDM11.0

AI0.4

OLD

SHRBM10.0,M10.1,+9

网络四

LDM10.0

=Q0.5

网络五

LDM10.1

OM10.5

=Q0.0

网络六

LDM10.2

SM20.0,1

TONT37,+17

网络七

LDM20.0

=Q0.1

网络八

LDM10.3

OM10.7

=Q0.2

网络九

LDM10.4

=Q0.3

网络十

LDM11.0

=Q0.4

网络十一

LDM10.6

RM20.0,1

TONT38,+15

4系统调试

1.利用实验设备，按照控制系统要求按下各个开关，机械手正常工作。

2.把源程序输入至与PLC连接的计算机中。

并实现计算机与PLC的通信。

然后把源程序下载至PLC当中。

3.工作过程分析：

当机械手处于原位时，上升限位开关I0.2、左限位开关I0.4均处于接通（“1”状态），移位寄存器数据输入端接通，使M10.0置“1”，Q0.5线圈接通，原位指示灯亮。

按下启动按钮，SB1置“1”，产生移位信号，M10.0的“1”态移至M10.1，下降阀输出继电器Q0.0接通，执行下降动作，由于上升限位开关I0.2断开，M10.0置“0”，原位指示灯灭。

当下降到位时，下限位开关SQ1接通，产生移位信号，M10.0的“0”态移位到M10.1，下降阀Q0.0断开，机械手停止下降，M10.1的“1”态移到M10.2，M20.0线圈接通，M20.0动合触点闭合，夹紧电磁阀Q0.1接通，执行夹紧动作，同时启动定时器T37，延时1.7秒。

机械手夹紧工件后，T37动合触点接通，产生移位信号，使M10.3置“1”，“0”态移位至M10.2，上升电磁阀Q0.2接通，I0.1断开，执行上升动作。

由于使用S指令，M20.0线圈具有自保持功能，Q0.1保持接通，机械手继续夹紧工件。

当上升到位时，上限位开关I0.2接通，产生移位信号，“0”态移位至M10.3，Q0.2线圈断开，不再上升，同时移位信号使M10.4置“1”，Q0.4断开，右移阀继电器Q0.3接通，执行右移动作。

待移至右限位开关动作位置，I0.3动合触点接通，产生移位信号，使M10.3的“0”态移位到M10.4，Q0.3线圈断开，停止右移，同时M10.4的“1”态已移到M10.5，Q0.0线圈再次接通，执行下降动作。

当下降到使I0.1动合触点接通位置，产生移位信号，“0”态移至M10.5，“1”态移至M10.6，Q0.0线圈断开，停止下降，R指令使M20.0复位，Q0.1线圈断开，机械手松开工件；同时T38启动延时1.5秒，T1动合触点接通，产生移位信号，使M10.6变为“0”态，M10.7为“1”态，Q0.2线圈再度接通，I0.1断开，机械手又上升，行至上限位置，I0.2触点接通，M10.7变为“0”态，M11.2为“1”态，I0.2线圈断开，停止上升，SQ2线圈接通，SQ3断开，左移。

到达左限位开关位置，SQ4触点接通，M11.2变为“0”态，M11.3为“1”态，移位寄存器全部复位，Q0.4线圈断开，机械手回到原位，由于I0.2、I0.4均接通，M10.0又被置“1”，完成一个工作周期。

再次按下启动按钮，将重复上述动作。

5结束语

PLC课程设计结束了，我们做的是机械手搬运单元控制。

机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，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、运动机构和控制系统三大部分组成。

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。

我们涉及的是夹持型。

和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。

由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。

但通过各方面的查资料并学习。

我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。

分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。

通过这次设计实践。

我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

本次设计中我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。

在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向组友说明自己的想法。

设计的成功是我们意识到学习资源的广泛性，学习的深度和团结交流的重要性，更要感谢指导老师的给我们的指导和学校提供的器材，使我们能够在实践中发现不足完善自己的专业素质。

6参考文献

1.《可编程序控制器原理及应用》吴中俊黄永红主编机械工业出版社

2.《可编程序控制器的选择设计与维护》殷洪义主编机械工业出版社

3.《SIMATICS7-200可编程序控制系统手册》西门子公司2002