课程设计说明书 气动机械手控制系统设计

目录之中。 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： 20094805 专业班级： 机制 F09 指导教师： 2012 年 12 月 12 日 I 内容摘要 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气 体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从工业机械手问世以 来，相应的各种难题迎刃而解。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，并已成为现代机械制造生 产系统中的一个重要组成部分。在我国，近几年也有较快的发展，并取得了一定的效 果，受到机械工业和铁路工业等部门的重视。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动 作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动 线。机械手一般由耐高温、抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了 工人的劳动强度，提高了工作效率。PLC 可以按照所需要求完成机械手的设计，使机械 手的设计简单化，大大节省了时间。本文应用西门子 S7200 系列 PLC 来实现气动机 械手的搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）的控制功能。利用可编 程技术结合相应的硬件装置，控制气动机械手完成各种动作。该系统具有结构简单、 可靠稳定、容易控制等优点。 关键词：气动机械手；S7200 系列 PLC；CPU226； I 目 录 第 1 章 引 言 1 第 2 章 系统总体方案设计 2 2.1 程序设计的基本思路 2 2.2 气动机械手的控制要求 2 2.3 系统的硬件结构与操作功能 2 2.3.1 硬件结构 2 2.3.2 气动机械手的操作功能 3 第 3 章 PLC 控制系统设计 4 3.1 可编程控制器的 CPU 选择 4 3.2 气动机械手的 I/O 地址分配表 4 3.3 PLC 的输入输出设备接线图 5 3.4 气动机械手控制流程图 6 3.5 程序设计梯形图 7 3.6 语句表 15 3.7 PLC 程序调试 23 结论 30 设计总结 31 谢辞 32 参考文献 33 1 第 1 章 引 言 由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、 强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、 重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过 载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，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，大多采用了气动机械手。车身 在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点 焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动 机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最 有代表性的气动机械手应用。 2 第 2 章 系统总体方案设计 2.1 程序设计的基本思路 在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求，然后根据程序的控制要求 画出程序工作状态流程图，最后根据程序工作状态流程图及程序的控制要求画出梯形 图。由于 CPU 对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后。而由扫描方式引 起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就 越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑，这样有利于程序 的运行。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序 会发生变化。此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性，这样在修 改程序时能节省很多时间。下面介绍一种基于 PLC 的气动机械手的控制方法。机械手 的控制属顺序控制，采用步进指令，首先应画出机械手工作状态流程图，然后根据流 程图所提供的思路进行程序设计。 2.2 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，必须驱动反向的线圈才能反向运动。 2、上升、下降的电磁阀线圈分别为 YV2、YV1，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。线圈通电时夹紧工作，断电时松开 工作。 4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时 1.7s 实现。 5、机械手下降、上升、右行、左行的限位由行程开关 SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 来实 现。 2.3 系统的硬件结构与操作功能 2.3.1 硬件结构 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 时被松开。工作方式选择开关的 5 个位置分别对应于 5 种工作方式，操作面板下 部的 9 个按钮式手动按钮分别对用于紧急停车、启动、停止、下降、上升、右行、左 行、夹紧、松开。为了保证在紧急情况下（包括 PLC 发生故障时）能可靠地切断负载 电源，设置了交流接触器 KM。PLC 开始运行时按下“负载电源”按钮，使 KM 线圈得电 3 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。 机械手示意图如图 2-1 所示。 图 2-1 机械手示意图 2.3.2 气动机械手的操作功能 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 2-2）。 在手动工作方式下，用 I0.5I1.2 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。 图 2-2 操作面板 4 第 3 章 PLC 控制系统设计 3.1 可编程控制器的 CPU 选择 根据设计可知需要 17 个输入接口，5 个输出接口，通过查阅手册选择 S7-200 CPU226 基本单元（24DI/16DO 出）1 台。CPU226 有 24 个输入端口，16 个输出端口，满 足气动机械手对输入输出端口的要求，不需要再增加扩展单元，它属于整体式结构。 整体式 PLC 具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。一般小型或超小型 PLC 多采用这种结构。模块式 PLC 把各个组成部分做成独立的模块，如 CPU 模块、输入模 块、输出模块、电源模块等。综上所述，应选择 S7-200CPU226 基本单元。 3.2 气动机械手的 I/O 地址分配表 气动机械手的 I/O 地址分配表如表 3-1 所示。 表 3-1 I/0 地址分配表 控制信号 信号名称 元件名称 元件符号 地址编码 下降停止 下限位开关 SQ1 I0.0 上升停止 上限为开关 SQ2 I0.1 右行停止 右限位开关 SQ3 I0.2 左行停止 左限位开关 SQ4 I0.3 下降 下降按钮 SB3 I0.4 上升 上升按钮 SB4 I0.5 右行 右行按钮 SB5 I0.6 左行 左行按钮 SB6 I1.7 夹紧 夹紧按钮 SB7 I1.0 松开 松开按钮 SB8 I1.1 手动操作 手动开关 SA1-0 I2.0 回原点操作 回原点开关 SA1-1 I2.1 单步操作 单步开关 SA1-2 I2.2 单周期操作 单周期开关 SA1-3 I2.3 连续操作 连续开关 SA1-4 I2.4 急停 急停按钮 SB9 I2.5 启动 启动按钮 SB1 I2.6 输 入 信 号 停止 停止按钮 SB2 I2.7 下降 下降电磁阀 YV1 Q0.1 夹松 夹松电磁阀 YV5 Q0.0 上升 上升电磁阀 YV2 Q0.2 右行 右行电磁阀 YV3 Q0.3 输出信号 左行 左行电磁阀 YV4 Q0.4 5 3.3 PLC 的输入输出设备接线图 PLC 外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计应结合系统的控制要求 来进行具体分析和设定。PL C 的外部接线图应尽量做到简洁明了以便于观察，出现故 障时也便于维修，这样的外部接线图才是合理的外部接线图。气动机械手控制外部接 线图如图 3-1 所示。 图 3-1 PLC 的输入输出设备的接线图 6 3.4 气动机械手控制流程图 原理：接通电源使系统启动开始扫描，扫描手动时判断手动按钮是执行手动操作； 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。 图 3-2 气动机械手控制流程图 7 3.5 程序设计梯形图 A 8 A B 9 B C 10 C D 11 D E 12 E F 13 F G 14 G 15 3.6 语句表 ORGANIZATION_BLOCK 主程序:OB1 TITLE=程序注释：主程序 BEGIN Network 1 / 网络标题 / 网络注释：调用公用子程序 LD SM0.0 CALL SBR0 Network 2 / 调用手动子程序 LD I2.0 CALL SBR1 Network 3 / 调用自动回原位子程序 LD I2.1 CALL SBR2 Network 4 / 调用单步，单周期和连续子程序 LD I2.4 O I2.3 O I2.2 CALL SBR3 Network 5 / 机械手下降 LD M2.0 O M2.4 AN I0.0 LD M3.4 OLD AN I2.5 AN M4.0 = Q0.1 Network 6 / 机械手夹紧 LD M2.1 O M3.1 16 S Q0.0 TON T37, 17 Network 7 / 机械手松开 LD M2.5 O M3.2 O M4.2 O M4.3 R Q0.0, 1 TON T38, 17 Network 8 / 机械手上升 LD M2.2 O M2.6 AN I0.1 LD M3.3 O M4.3 OLD AN I2.5 = Q0.2 Network 9 / 机械手右行 LD M2.3 AN I0.2 O M3.5 OLD AN I2.5 AN M4.1 = Q0.3 Network 10 / 机械手左行 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=子程序注释 BEGIN Network 1 / 网络标题 / 网络注释 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_1:SBR1 TITLE=子程序注释公用子程序 BEGIN Network 1 / 网络标题 / 网络注释：判断机械手是否在原点 LD I0.3 A I0.1 AN M4.5 = M0.5 Network 2 / 机械手回原点 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 / 系统进入手动，回原点工作方式 LD I2.0 O I2.1 R M2.0, 1 Network 4 / 系统进入单步，单周期和连续工作方式 LDN I2.4 18 R M0.7, 1 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_2:SBR2 TITLE=子程序注释：手动子程序 BEGIN Network 1 / 网络标题 / 网络注释机械手夹紧 LD I1.0 S M3.1, 1 Network 2 / 上限位开关常闭 LD I1.1 R M3.2, 1 Network 3 / 机械手上升直至上限位开关打开 LD I0.5 AN I0.1 AN M3.4 = M3.3 Network 4 / 机械手下降直至下限为开关打开 LD I0.4 AN I0.0 AN M3.3 = M3.4 Network 5 / 机械手左行直至左限位开关打开 LD I0.7 AN I0.3 A I0.1 AN M3.5 = M3.6 Network 6 / 机械手右行直至右限位开关打开 LD I0.6 AN I0.2 19 A I0.1 AN M3.6 = M3.5 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_3:SBR3 TITLE=子程序注释：自动回原点子程序 BEGIN Network 1 / 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 LD I2.1 A I2.6 S M1.0, 1 S M4.0, 1 S M4.2, 1 Network 2 / 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 LD M1.0 A I0.1 S M1.1, 1 R M1.0, 1 R M4.0, 1 S M4.1, 1 Network 3 / 左限位开关打开，将步 M4.2 复位， 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，上限位开关常闭变常开 LD M1.0 AN I0.1 = M4.3 Network 5 20 / 回到初始位置，左限位开关常闭变常开 LD M1.1 AN I0.3 = M4.4 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_4:SBR4 TITLE=子程序注释：单步，单周期，连续工作方式子程序 BEGIN Network 1 / 网络标题 / 网络注释：机械手处于连续工作状态 LD I2.6 O M0.7 A I2.4 AN I2.7 = M0.7 Network 2 / 允许机械手工作状态发生步与步直接转换 LD I2.6 EU ON I2.2 = M0.6 Network 3 / 机械手下降 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 / 机械手夹紧 21 LD M2.0 A I0.0 A M0.6 O M2.1 AN M2.2 = M2.1 Network 5 / 延时 1.7 秒后，机械手夹紧 LD M2.1 A T37 A M0.6 O M2.2 AN M2.3 = M2.2 Network 6 / 机械手右行 LD M2.2 A I0.1 A M0.6 O M2.2 AN M2.3 = M2.3 Network 7 / 机械手下降 LD M2.3 A I0.2 A M0.6 O M2.3 AN M2.4 = M2.4 Network 8 / 机械手松开 LD M2.4 A I0.0 A M0.6 O M2.5 22 AN M2.6 = M2.5 Network 9 / 延时 1.7 秒后，机械手上升 LD M2.5 A T38 A M0.6 O M2.6 AN M2.7 = M2.6 Network 10 / 机械手左行 LD M2.6 A I0.1 A M0.6 O M2.7 AN M2.0 AN M0.0 = M2.7 Network 11 / 判断机械手工作状态 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=中断程序注释 BEGIN Network 1 / 网络标题 / 网络注释 END_INTERRUPT_BLOCK 23 3.7 PLC 模拟调试 S7-200sim3.0 是西班牙 PLC 爱好者编写的一个 PLC 模拟仿真软件。该软件支持所 有型号的 S7-200 系列 PLC。使用 S7-200sim3.0 可以模拟仿真大多数 PLC 程序大大简化 了 PLC 程序调试步骤，缩短了程序调试时间。 S7-200sim3.0 调试方法如下 ： 1.将在 Step 7 Micro/Win 中编译正确的程序在文件菜单中导出为 AWL 文件； 2.打开仿真软件 S7-200sim3.0，点“配置”-“CPU 型号” ，然后选择 CPU 226； 3.点“程序”-“载入程序” ； 4.选择 Step 7 Micro/Win 的版本； 5.将先前导出的 AWL 文件打开； 6.点“PLC”-“运行” ，开始调试程序 （一）判断机械手是否处于原点。当机械手处于原点位置时，即左、上限位开关打开，调试结 果如下： （二）机械手自动回原点。机械手先进行向上运动，然后向左运行至原点处。 1.机械手先向上运动 24 2.机械手行至上限位开关，机械手右移至原点。 （三）手动子程序调试如下：(此处以向下、夹紧为例) 25 1.按下启动按钮，将旋转按钮调至手动开关位置。按下下降开关，机械手下降。 2.按下夹紧开关，机械手进行夹紧操作。 （三）以连续调试（单周期）调试为例。 （单步、单周期调试与其基本相同，在此只介 绍连续调试） 26 1.气动机械手处于连续工作状态。当按下启动按钮后，气动机械手下降。 2.机械手下降至下限位开关处，机械手开始夹紧，1.7s 以后上升。 27 3.机械手到达上限位，上限位开关打开，机械手右行。 4.机械手到达右限位，右限位打开，机械手开始下行。 28 5.机械手下降至最低位，机械手放松。 6.机械手放松完，1.7s 以后上升。 7.机械手行至上限位，机械手左行。 29 8.机械手行至原点，开始下降。 30 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。 本设计主要应用于机加工生产、货物调运等场合。气动机械手因采用 PLC 控制， 具有体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单和容易维修等优点。使用 该机械手代替人工搬运工件，既安全又准确，提高了劳动生产率，保证了工件的质量， 降低了工人的劳动强度，具有较好的经济效益和社会效益。可编程控制器 PLC 以其丰 富的 I/O 接口模块、高可靠性，可以在机械手控制系统的设计中起到十分重要的作用。 31 设计总结 课程设计结束了，我自己感到收获颇丰。由于机电传动的课程掌握的不是很好， 在课程设计的开始阶段，自己基本上没有思绪，很难下手去做课程设计。有问题不怕， 就怕不解决问题。就这样先完善知识储备，然后一步一步开始着手做课程设计。 随着现代化制造的不断发展，越来越多的企业选择自动化的生产线，机械手更作 为现代制造中不可缺少的一部分。通过这次课程设计，我学会了用 PLC 对机械手的简 单的控制，更加明白了知识的重要性。同时在此次课程设计中，我发现了自己的知识 确实有很多的不足，很多理解不到位或是没有接触过的知识，作为机械的学生，我们 必须要扎实自己的基础知识，只有这样才能制造出合格的产品。 虽然自己用心的做此次课程设计，但是由于自己的知识水平有限，难免会有考虑 不周之处，希望老师予以批评指正！ 32 谢 辞 在这里，首先指导本次课程设计的王宗才老师表达最诚挚的感谢！“王老师，您 辛苦了！”。王老师对我们严格要求，细心指导，每天都过来指导我们的设计，对于 我们的问题都予以认真的讲解。最让我感动的是他严谨的教凤和认真务实的工作态度， 这是我们现在大学生最应该学习的。对待知识学习的态度应该更加认真一些，务实一 些！我相信通过这次的课程设计，我们在今后的学习中，会更加用心一些！同时在这 次设计中，由于自己的专业知识掌握的不够扎实，理解不够到位，很多同学都给与一 一解答，在此一并予以感谢！ 33 参考文献 1王宗才机电传动与控制北京：电子工业出版社，2011 2黄净电器与 PLC 控制技术北京：机械工业出版社，2002 3阮友德电气控制与 PLC 实训教程北京：人民邮电出版社，2006 4李媛PLC 原理与应用北京：北京邮电大学出版社，2009 5周惠文可编程控制器原理与应用北京：电子工业出版社，2007 6胡学林电气控制及 PLC北京：冶金工业出版社，1997 7廖常初PLC 编程及应用北京：机械工业出版社，2002 8孙振强可编程控制器原理及应用教程北京：清华大学出版社，2005 9 张州，刘广瑞，杜大军.基于PLC 控制的气动机械手系统.机电产品开发与应用，2004(3).