課程設計說明書 氣動機械手控制系統(tǒng)設計

目錄之中。 機電工程學院 課 程 設 計 說 明 書 設計題目: 氣動機械手控制系統(tǒng)設計 學生姓名： 學 號： 20094805 專業(yè)班級： 機制 F09 指導教師： 2012 年 12 月 12 日 I 內(nèi)容摘要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣 體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從工業(yè)機械手問世以 來，相應的各種難題迎刃而解。工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技 術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并已成為現(xiàn)代機械制造生 產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。在我國，近幾年也有較快的發(fā)展，并取得了一定的效 果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)等部門的重視。機械手可在空間抓、放、搬運物體，動 作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動 線。機械手一般由耐高溫、抗腐蝕的材料制成，以適應現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了 工人的勞動強度，提高了工作效率。PLC 可以按照所需要求完成機械手的設計，使機械 手的設計簡單化，大大節(jié)省了時間。本文應用西門子 S7200 系列 PLC 來實現(xiàn)氣動機 械手的搬運控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了可編程控制器（PLC）的控制功能。利用可編 程技術(shù)結(jié)合相應的硬件裝置，控制氣動機械手完成各種動作。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、 可靠穩(wěn)定、容易控制等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：氣動機械手；S7200 系列 PLC；CPU226； I 目 錄 第 1 章 引 言 1 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設計 2 2.1 程序設計的基本思路 2 2.2 氣動機械手的控制要求 2 2.3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與操作功能 2 2.3.1 硬件結(jié)構(gòu) 2 2.3.2 氣動機械手的操作功能 3 第 3 章 PLC 控制系統(tǒng)設計 4 3.1 可編程控制器的 CPU 選擇 4 3.2 氣動機械手的 I/O 地址分配表 4 3.3 PLC 的輸入輸出設備接線圖 5 3.4 氣動機械手控制流程圖 6 3.5 程序設計梯形圖 7 3.6 語句表 15 3.7 PLC 程序調(diào)試 23 結(jié)論 30 設計總結(jié) 31 謝辭 32 參考文獻 33 1 第 1 章 引 言 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、 強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、 重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過 載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半 導體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等?，F(xiàn)代汽 車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身 在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點 焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動 機械手。高頻率的點焊、力控的準確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最 有代表性的氣動機械手應用。 2 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設計 2.1 程序設計的基本思路 在進行程序設計時，首先應明確對象的具體控制要求，然后根據(jù)程序的控制要求 畫出程序工作狀態(tài)流程圖，最后根據(jù)程序工作狀態(tài)流程圖及程序的控制要求畫出梯形 圖。由于 CPU 對程序的串行掃描工作方式，會造成輸入輸出的滯后。而由掃描方式引 起的滯后時間，最長可達兩個掃描周期，程序越長，這種滯后越明顯，則控制精度就 越低。因此，在實現(xiàn)控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔緊湊，這樣有利于程序 的運行。另一方面，同一控制對象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求或控制時序 會發(fā)生變化。此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性，這樣在修 改程序時能節(jié)省很多時間。下面介紹一種基于 PLC 的氣動機械手的控制方法。機械手 的控制屬順序控制，采用步進指令，首先應畫出機械手工作狀態(tài)流程圖，然后根據(jù)流 程圖所提供的思路進行程序設計。 2.2 氣動機械手的控制要求 1、氣動機械手的升降和左右移動分別由不同的雙線圈電磁閥實現(xiàn)，電磁閥線圈失 電時能保持原來的狀態(tài)，必須驅(qū)動反向的線圈才能反向運動。 2、上升、下降的電磁閥線圈分別為 YV2、YV1，右行、左行的電磁閥線圈為 YV3、YV4。 3、機械手的夾鉗由單線圈電磁閥 YV5 來實現(xiàn)。線圈通電時夾緊工作，斷電時松開 工作。 4、機械手的夾鉗的松開，夾緊通過延時 1.7s 實現(xiàn)。 5、機械手下降、上升、右行、左行的限位由行程開關(guān) SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 來實 現(xiàn)。 2.3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與操作功能 2.3.1 硬件結(jié)構(gòu) 機械手用來將工件從 A 點搬運到 B 點（如圖 2-1），輸出 Q0.1 為 1 時工件被夾緊， 為 0 時被松開。工作方式選擇開關(guān)的 5 個位置分別對應于 5 種工作方式，操作面板下 部的 9 個按鈕式手動按鈕分別對用于緊急停車、啟動、停止、下降、上升、右行、左 行、夾緊、松開。為了保證在緊急情況下（包括 PLC 發(fā)生故障時）能可靠地切斷負載 電源，設置了交流接觸器 KM。PLC 開始運行時按下“負載電源”按鈕，使 KM 線圈得電 3 并自鎖，KM 的主觸點接通，給外部負載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時用“緊急停車” 按鈕斷開負載電源。 機械手示意圖如圖 2-1 所示。 圖 2-1 機械手示意圖 2.3.2 氣動機械手的操作功能 系統(tǒng)設有手動、單周期、連續(xù)、單步和回原點五種工作方式（如圖 2-2）。 在手動工作方式下，用 I0.5I1.2 對應的 6 個按鈕分別獨立控制機械手的升、降、 左右行和夾緊松開。 在單周期的工作方式下，按下啟動按鈕 I2.6 后，從初始步 M0.0 開始，機械手按 順序功能圖的規(guī)定完成一個周期的工作后，返回并停留在初始步。 在單步工作方式下，從初始步開始，按一下啟動按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成 該步的任務后，自動停止工作并停留在該步，再按一下啟動按鈕，又往前走一步。單 步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試。 圖 2-2 操作面板 4 第 3 章 PLC 控制系統(tǒng)設計 3.1 可編程控制器的 CPU 選擇 根據(jù)設計可知需要 17 個輸入接口，5 個輸出接口，通過查閱手冊選擇 S7-200 CPU226 基本單元（24DI/16DO 出）1 臺。CPU226 有 24 個輸入端口，16 個輸出端口，滿 足氣動機械手對輸入輸出端口的要求，不需要再增加擴展單元，它屬于整體式結(jié)構(gòu)。 整體式 PLC 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價格低的優(yōu)點。一般小型或超小型 PLC 多采用這種結(jié)構(gòu)。模塊式 PLC 把各個組成部分做成獨立的模塊，如 CPU 模塊、輸入模 塊、輸出模塊、電源模塊等。綜上所述，應選擇 S7-200CPU226 基本單元。 3.2 氣動機械手的 I/O 地址分配表 氣動機械手的 I/O 地址分配表如表 3-1 所示。 表 3-1 I/0 地址分配表 控制信號 信號名稱 元件名稱 元件符號 地址編碼 下降停止 下限位開關(guān) SQ1 I0.0 上升停止 上限為開關(guān) SQ2 I0.1 右行停止 右限位開關(guān) SQ3 I0.2 左行停止 左限位開關(guān) SQ4 I0.3 下降 下降按鈕 SB3 I0.4 上升 上升按鈕 SB4 I0.5 右行 右行按鈕 SB5 I0.6 左行 左行按鈕 SB6 I1.7 夾緊 夾緊按鈕 SB7 I1.0 松開 松開按鈕 SB8 I1.1 手動操作 手動開關(guān) SA1-0 I2.0 回原點操作 回原點開關(guān) SA1-1 I2.1 單步操作 單步開關(guān) SA1-2 I2.2 單周期操作 單周期開關(guān) SA1-3 I2.3 連續(xù)操作 連續(xù)開關(guān) SA1-4 I2.4 急停 急停按鈕 SB9 I2.5 啟動 啟動按鈕 SB1 I2.6 輸 入 信 號 停止 停止按鈕 SB2 I2.7 下降 下降電磁閥 YV1 Q0.1 夾松 夾松電磁閥 YV5 Q0.0 上升 上升電磁閥 YV2 Q0.2 右行 右行電磁閥 YV3 Q0.3 輸出信號 左行 左行電磁閥 YV4 Q0.4 5 3.3 PLC 的輸入輸出設備接線圖 PLC 外部接線圖的輸入輸出設備、負載電源的類型等的設計應結(jié)合系統(tǒng)的控制要求 來進行具體分析和設定。PL C 的外部接線圖應盡量做到簡潔明了以便于觀察，出現(xiàn)故 障時也便于維修，這樣的外部接線圖才是合理的外部接線圖。氣動機械手控制外部接 線圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 PLC 的輸入輸出設備的接線圖 6 3.4 氣動機械手控制流程圖 原理：接通電源使系統(tǒng)啟動開始掃描，掃描手動時判斷手動按鈕是執(zhí)行手動操作； 掃描回原點開關(guān)，是執(zhí)行回原點操作；掃描單步開關(guān)，是執(zhí)行單步操作；掃描單周期 開關(guān)，是檢測是否在原點，是執(zhí)行單周期操作；掃描連續(xù)操作，是檢測是否在原點， 是執(zhí)行連續(xù)操作。除了連續(xù)操作以外，其他操作執(zhí)行完以后自動重新掃描。 圖 3-2 氣動機械手控制流程圖 7 3.5 程序設計梯形圖 A 8 A B 9 B C 10 C D 11 D E 12 E F 13 F G 14 G 15 3.6 語句表 ORGANIZATION_BLOCK 主程序:OB1 TITLE=程序注釋：主程序 BEGIN Network 1 / 網(wǎng)絡標題 / 網(wǎng)絡注釋：調(diào)用公用子程序 LD SM0.0 CALL SBR0 Network 2 / 調(diào)用手動子程序 LD I2.0 CALL SBR1 Network 3 / 調(diào)用自動回原位子程序 LD I2.1 CALL SBR2 Network 4 / 調(diào)用單步，單周期和連續(xù)子程序 LD I2.4 O I2.3 O I2.2 CALL SBR3 Network 5 / 機械手下降 LD M2.0 O M2.4 AN I0.0 LD M3.4 OLD AN I2.5 AN M4.0 = Q0.1 Network 6 / 機械手夾緊 LD M2.1 O M3.1 16 S Q0.0 TON T37, 17 Network 7 / 機械手松開 LD M2.5 O M3.2 O M4.2 O M4.3 R Q0.0, 1 TON T38, 17 Network 8 / 機械手上升 LD M2.2 O M2.6 AN I0.1 LD M3.3 O M4.3 OLD AN I2.5 = Q0.2 Network 9 / 機械手右行 LD M2.3 AN I0.2 O M3.5 OLD AN I2.5 AN M4.1 = Q0.3 Network 10 / 機械手左行 LD M2.7 AN I0.3 O M3.6 O M4.4 AN I2.5 17 = Q0.4 END_ORGANIZATION_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_0:SBR0 TITLE=子程序注釋 BEGIN Network 1 / 網(wǎng)絡標題 / 網(wǎng)絡注釋 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_1:SBR1 TITLE=子程序注釋公用子程序 BEGIN Network 1 / 網(wǎng)絡標題 / 網(wǎng)絡注釋：判斷機械手是否在原點 LD I0.3 A I0.1 AN M4.5 = M0.5 Network 2 / 機械手回原點 LD SM0.0 O I2.0 O I2.1 LPS A M0.5 S M0.0, 1 LPP AN M0.5 R M0.0, 1 Network 3 / 系統(tǒng)進入手動，回原點工作方式 LD I2.0 O I2.1 R M2.0, 1 Network 4 / 系統(tǒng)進入單步，單周期和連續(xù)工作方式 LDN I2.4 18 R M0.7, 1 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_2:SBR2 TITLE=子程序注釋：手動子程序 BEGIN Network 1 / 網(wǎng)絡標題 / 網(wǎng)絡注釋機械手夾緊 LD I1.0 S M3.1, 1 Network 2 / 上限位開關(guān)常閉 LD I1.1 R M3.2, 1 Network 3 / 機械手上升直至上限位開關(guān)打開 LD I0.5 AN I0.1 AN M3.4 = M3.3 Network 4 / 機械手下降直至下限為開關(guān)打開 LD I0.4 AN I0.0 AN M3.3 = M3.4 Network 5 / 機械手左行直至左限位開關(guān)打開 LD I0.7 AN I0.3 A I0.1 AN M3.5 = M3.6 Network 6 / 機械手右行直至右限位開關(guān)打開 LD I0.6 AN I0.2 19 A I0.1 AN M3.6 = M3.5 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_3:SBR3 TITLE=子程序注釋：自動回原點子程序 BEGIN Network 1 / 網(wǎng)絡標題 / 網(wǎng)絡注釋：工作方式調(diào)到回原點狀態(tài)，按下啟動按鈕，M1.0 變?yōu)?ON,機械手上升到 上限位 LD I2.1 A I2.6 S M1.0, 1 S M4.0, 1 S M4.2, 1 Network 2 / 機械手上升到上限位開關(guān)時上限位開關(guān)打開，左行，到左限位開關(guān)時 LD M1.0 A I0.1 S M1.1, 1 R M1.0, 1 R M4.0, 1 S M4.1, 1 Network 3 / 左限位開關(guān)打開，將步 M4.2 復位， LD M1.1 A I0.3 R M1.1, 1 R M4.2, 1 R M4.1, 1 Network 4 / 回到初始位置，上限位開關(guān)常閉變常開 LD M1.0 AN I0.1 = M4.3 Network 5 20 / 回到初始位置，左限位開關(guān)常閉變常開 LD M1.1 AN I0.3 = M4.4 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_4:SBR4 TITLE=子程序注釋：單步，單周期，連續(xù)工作方式子程序 BEGIN Network 1 / 網(wǎng)絡標題 / 網(wǎng)絡注釋：機械手處于連續(xù)工作狀態(tài) LD I2.6 O M0.7 A I2.4 AN I2.7 = M0.7 Network 2 / 允許機械手工作狀態(tài)發(fā)生步與步直接轉(zhuǎn)換 LD I2.6 EU ON I2.2 = M0.6 Network 3 / 機械手下降 LD M2.7 A I0.3 A M0.7 LD M0.0 A I2.6 A M0.5 OLD A M0.6 O M2.0 AN M2.1 = M2.0 Network 4 / 機械手夾緊 21 LD M2.0 A I0.0 A M0.6 O M2.1 AN M2.2 = M2.1 Network 5 / 延時 1.7 秒后，機械手夾緊 LD M2.1 A T37 A M0.6 O M2.2 AN M2.3 = M2.2 Network 6 / 機械手右行 LD M2.2 A I0.1 A M0.6 O M2.2 AN M2.3 = M2.3 Network 7 / 機械手下降 LD M2.3 A I0.2 A M0.6 O M2.3 AN M2.4 = M2.4 Network 8 / 機械手松開 LD M2.4 A I0.0 A M0.6 O M2.5 22 AN M2.6 = M2.5 Network 9 / 延時 1.7 秒后，機械手上升 LD M2.5 A T38 A M0.6 O M2.6 AN M2.7 = M2.6 Network 10 / 機械手左行 LD M2.6 A I0.1 A M0.6 O M2.7 AN M2.0 AN M0.0 = M2.7 Network 11 / 判斷機械手工作狀態(tài) LD M2.7 A I0.3 AN M0.7 A M0.6 O M0.0 AN M2.0 = M0.0 END_SUBROUTINE_BLOCK INTERRUPT_BLOCK INT_0:INT0 TITLE=中斷程序注釋 BEGIN Network 1 / 網(wǎng)絡標題 / 網(wǎng)絡注釋 END_INTERRUPT_BLOCK 23 3.7 PLC 模擬調(diào)試 S7-200sim3.0 是西班牙 PLC 愛好者編寫的一個 PLC 模擬仿真軟件。該軟件支持所 有型號的 S7-200 系列 PLC。使用 S7-200sim3.0 可以模擬仿真大多數(shù) PLC 程序大大簡化 了 PLC 程序調(diào)試步驟，縮短了程序調(diào)試時間。 S7-200sim3.0 調(diào)試方法如下 ： 1.將在 Step 7 Micro/Win 中編譯正確的程序在文件菜單中導出為 AWL 文件； 2.打開仿真軟件 S7-200sim3.0，點“配置”-“CPU 型號” ，然后選擇 CPU 226； 3.點“程序”-“載入程序” ； 4.選擇 Step 7 Micro/Win 的版本； 5.將先前導出的 AWL 文件打開； 6.點“PLC”-“運行” ，開始調(diào)試程序 （一）判斷機械手是否處于原點。當機械手處于原點位置時，即左、上限位開關(guān)打開，調(diào)試結(jié) 果如下： （二）機械手自動回原點。機械手先進行向上運動，然后向左運行至原點處。 1.機械手先向上運動 24 2.機械手行至上限位開關(guān)，機械手右移至原點。 （三）手動子程序調(diào)試如下：(此處以向下、夾緊為例) 25 1.按下啟動按鈕，將旋轉(zhuǎn)按鈕調(diào)至手動開關(guān)位置。按下下降開關(guān)，機械手下降。 2.按下夾緊開關(guān)，機械手進行夾緊操作。 （三）以連續(xù)調(diào)試（單周期）調(diào)試為例。 （單步、單周期調(diào)試與其基本相同，在此只介 紹連續(xù)調(diào)試） 26 1.氣動機械手處于連續(xù)工作狀態(tài)。當按下啟動按鈕后，氣動機械手下降。 2.機械手下降至下限位開關(guān)處，機械手開始夾緊，1.7s 以后上升。 27 3.機械手到達上限位，上限位開關(guān)打開，機械手右行。 4.機械手到達右限位，右限位打開，機械手開始下行。 28 5.機械手下降至最低位，機械手放松。 6.機械手放松完，1.7s 以后上升。 7.機械手行至上限位，機械手左行。 29 8.機械手行至原點，開始下降。 30 結(jié) 論 氣動機械手的升降和左右移動分別由不同的雙線圈電磁閥實現(xiàn)，電磁閥線圈失電 時能保持原來的狀態(tài)，需驅(qū)動反向德線圈才能反向運動。線圈通電夾緊，斷電松開； 機械手的夾鉗的松開，夾緊通過延時 1.7s 實現(xiàn)；機械手的限位由四個行程開關(guān)來實現(xiàn)。 本設計主要應用于機加工生產(chǎn)、貨物調(diào)運等場合。氣動機械手因采用 PLC 控制， 具有體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單和容易維修等優(yōu)點。使用 該機械手代替人工搬運工件，既安全又準確，提高了勞動生產(chǎn)率，保證了工件的質(zhì)量， 降低了工人的勞動強度，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益?？删幊炭刂破?PLC 以其豐 富的 I/O 接口模塊、高可靠性，可以在機械手控制系統(tǒng)的設計中起到十分重要的作用。 31 設計總結(jié) 課程設計結(jié)束了，我自己感到收獲頗豐。由于機電傳動的課程掌握的不是很好， 在課程設計的開始階段，自己基本上沒有思緒，很難下手去做課程設計。有問題不怕， 就怕不解決問題。就這樣先完善知識儲備，然后一步一步開始著手做課程設計。 隨著現(xiàn)代化制造的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)選擇自動化的生產(chǎn)線，機械手更作 為現(xiàn)代制造中不可缺少的一部分。通過這次課程設計，我學會了用 PLC 對機械手的簡 單的控制，更加明白了知識的重要性。同時在此次課程設計中，我發(fā)現(xiàn)了自己的知識 確實有很多的不足，很多理解不到位或是沒有接觸過的知識，作為機械的學生，我們 必須要扎實自己的基礎知識，只有這樣才能制造出合格的產(chǎn)品。 雖然自己用心的做此次課程設計，但是由于自己的知識水平有限，難免會有考慮 不周之處，希望老師予以批評指正！ 32 謝 辭 在這里，首先指導本次課程設計的王宗才老師表達最誠摯的感謝！“王老師，您 辛苦了！”。王老師對我們嚴格要求，細心指導，每天都過來指導我們的設計，對于 我們的問題都予以認真的講解。最讓我感動的是他嚴謹?shù)慕跳P和認真務實的工作態(tài)度， 這是我們現(xiàn)在大學生最應該學習的。對待知識學習的態(tài)度應該更加認真一些，務實一 些！我相信通過這次的課程設計，我們在今后的學習中，會更加用心一些！同時在這 次設計中，由于自己的專業(yè)知識掌握的不夠扎實，理解不夠到位，很多同學都給與一 一解答，在此一并予以感謝！ 33 參考文獻 1王宗才機電傳動與控制北京：電子工業(yè)出版社，2011 2黃凈電器與 PLC 控制技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，2002 3阮友德電氣控制與 PLC 實訓教程北京：人民郵電出版社，2006 4李媛PLC 原理與應用北京：北京郵電大學出版社，2009 5周惠文可編程控制器原理與應用北京：電子工業(yè)出版社，2007 6胡學林電氣控制及 PLC北京：冶金工業(yè)出版社，1997 7廖常初PLC 編程及應用北京：機械工業(yè)出版社，2002 8孫振強可編程控制器原理及應用教程北京：清華大學出版社，2005 9 張州，劉廣瑞，杜大軍.基于PLC 控制的氣動機械手系統(tǒng).機電產(chǎn)品開發(fā)與應用，2004(3).