机械手自动控制系统用PLC实现的程序设计

沈阳航空职业技术学院论文摘 要本文介绍的物料搬运机械手可在空间抓放物体，可代替人工在高温和危险的作业区 进行作业，主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流 水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。本文利用MCGS全中文通用工控组态软件和基于MCGS全中文组态软件开发的计算机监控 PLC模拟实验系统软件实现机械 手的仿真，并用STEP7-Micro/WIN设计PLC的控制程序来实现对机械手的自动控制， 从而实现了机械手自动化系统的控制过程。关键词：PLC机械手自动化程序设计-I -用PLC实现的机械手自动控制系统程序设计目 录摘要第1章课题介绍11.1课题设计内容11.2课题设计具体要求21.3课题来源及研究的目的和意义 2第2章 机械手和PLC的概念及选择 32.1机械手的概念32.2 PLC的概念4第3章 PLC控制机械手的系统53.1 I/O地址分配53.2分析系统的控制并设计 PLC程序5第4章 调试机械手PLC控制程序7第5章结论8参考文献9致 谢10附录A指令语句表11附录B梯形图程序17沈阳航空职业技术学院论文第1章课题介绍1.1课题设计内容机械手设有调整、连续、单周及步进四种工作方式，工作时要首先选择工作 方式，然后操作对应按钮。其工作示意图如图1.1所示。1-沈阳航空职业技术学院论文#-沈阳航空职业技术学院论文原位（左极限口23上极限O右移Q0*下QO.O*上心升心下极限M0.COO啟松Q0 1*下极限M0.0O O来紧QO.i#-沈阳航空职业技术学院论文#-沈阳航空职业技术学院论文图1.1机械手工作循环示意图1.1.1调整工作方式：可按相应按钮实现左移、右移、上移、下移、加紧、 放松各个动作的单独调整。1.1.2连续工作方式：按下起动按钮，机械手按下降加紧上升右移下降一放松上升左移的顺序周而复始的连续工作；按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按钮，系统立即停车。1.1.3单周工作方式：按下起动按钮后，机械手按下降加紧上升右移 下降放 松上升左移的顺序自动工作一个周期停止。若要再工作一个周 期，可再次按下起动按钮。按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工作，回 到原位后停止。按下急停按钮，系统立即停车。1.1.4步进工作方式：每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。 按下急停按钮，系统立即停车。1.2课题设计具体要求1. PLC输入/输出点的分配。2编制机械手PLC梯形图控制程序。3调试机械手PLC梯形图控制程序。1.3课题来源及研究的目的和意义可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)即 PLC，自从 1969年 第一台可编程控制器在美国面世以来，经过30多年的发展，现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最为广泛的工业控制微型计算机。在PLC中, 充分应用了大规模集成电路技术、 微电子技术及通信技术，迅速的从早期的逻辑 控制发展到进入位置控制、伺服控制、过程控制等领域。用可编程控制器已经可 以构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集与控制、图形工作站等的综合控制系 统。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，甚至于危机生命。由于以上的问 题，需要一种东西代替人在恶劣的环境中作业的要求呼之欲出，同时随着社会的进步，工业自动化产品的性能日益加强，而价格也因电子技术的高速发展而不断 下降。对原有的设备的电器控制可以高性价比进行改进，通过采用先进的控制技术和驱动技术，使设备的运行更加节能、高效、安全可靠。机械手就在这样诞生 了，自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。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。机械手是工业机械手的重 要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机械手。工业机械手是集机械、电 子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重 要的自动化装备。广泛采用工业机械手，不仅可以提高产品的质量与产量， 而且 对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料 消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。第2章机械手和PLC的概念及选择2.1机械手的概念机械手也被称为自动手。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。机械手主要由手部和运动机构组成。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。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复 合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸 缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多， 机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式 机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控 制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生 产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制 装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品 的主从式操作手也常称为机械手。本文利用MCGS全中文通用工控组态软件和基于 MCGS全中文组态软件 开发的计算机监控PLC模拟实验系统软件实现机械手的仿真。机械手模拟控制 窗口图2.1所示。图2.1中机械手可抓紧、放送工件，可上下、左右移动，模拟 界面的右侧为按控制要求设计的操作台。图2.1机械手模拟控制窗口2.2 PLC的概念可编程序控制器为(Programmable Logic Controller,简称PLC)，是在继电 顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置。国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是：可编程控制器是专为在工业环境下应 用而设计一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。 它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操 作，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。PLC具有可靠性高、适应面广、控制性强、操作方便、抗 干扰能力强、编程方便、对环境要求低、与其他装置配置连接方便等特点。在工 业自动化控制系统中占有极其重要的地位。本文选用的PLC是西门子公司开发的S7-200系列，PLC编程软件选用的是STEP7-Micro/WINv4.0。第3章PLC控制机械手的系统3.1 I/O地址分配I/O地址分配见表3.1。表3.1机械手控制PLC输入/输出（I/O）分配表输入输出下降极限M0.0放松按钮M1.1/I1.1下降电磁阀Q0.0上升极限M0.1调试选择M1.2/I1.2夹紧电磁阀Q0.1右移极限M0.2步进选择M1.3/I1.3上升电磁阀Q0.2左移极限M0.3连续选择M1.4/I1.4上升按钮M0.4/I0.4单周选择M1.5/I1.5右移电磁阀Q0.3下降按钮M0.5/I0.5急停按钮M1.7/I0.2左移按钮M0.6/I0.6启动按钮M2.0/I0.0左移电磁阀Q0.4右移按钮M0.7/I0.7停止按钮M2.1/I0.1夹紧按钮M1.0/I1.0内部存储器的使用空手下降状态M5.1右移状态M5.4空手上升状态M5.7夹紧状态M5.2重手下降状态M5.5左移状态M4.0重手上升状态M5.3放松状态M5.6原位状态M4.13.2分析系统的控制并设计PLC程序由机械手的工作过程可知，这是一个典型的顺序控制系统。 为此，可从机械 手的连续工作方式入手编写程序。首先应绘出连续工作时的功能表如图3.2,然后直接列写逻辑表达式，用触点线圈指令编程，也可使用置位复位指令或顺序控 制继电器指令来完成。为了将每一步的工作状态显示出来，动画模拟软件使用了 内部存储器位 M5.1、M5.2、M5.3、M5.4、M5.5、M5.6、M5.7、M4.0、M4.1来分别表示的运行状态。编程过程中，需要注意特别处理 的问题是、和、步的动作问题，虽然、步都是下降操作，但却具有 不同的意义，步下降是空钩下降，而步下降则是夹着工件下降。、步的 上升操作也是这样。图3.2机械手动作功能表单周期操作的程序实现可在连续工作程序的基础上通过经验修改实现。 其要 点是是设法阻止机械手在一个周期工作结束后自动进入下一周期， 一般在下降的 启动回路想办法。单步操作的实现与单周期工作的实现是相似的。即设法在每一步工作结束 后，不是直接启动下一步的工作，而是等待启动按钮的命令后再工作。以上是在同一个顺序控制程序中完成的连续工作、单周期工作和单步工作的 程序编制思路。实际上本文采用分段跳转的办法来完成这三种操作， 这使得程序 结构如图3.3所示。这种方法编制的程序结构清晰，但程序数量长于前一种方法。连续逻辑条件* 2 | |C IMP、连续工作方式*1 LBE*鞭逻飆条件” 2| |C 1正 篡鳳竝方式，1 LBL*图3.3机械手控制系统程序结构图第4章调试机械手PLC控制程序此程序是基于MCGS全中文组态软件开发的计算机监控 PLC模拟试验系统 中的机械手控制程序设计来编写的，由于该设计对程序的要求没有明确各部位行 程开关的地址，所以此程序用定时器 T39T42及其相关触点分别代替了各部位 在实际应用中的行程开关，这样使程序可更方便的在PLC上单独运行并观察运行情况。在Simulation上经过调试后，程序运行稳定，基本达到设计的要求，对于机 电一体化专业学生来说是一个非常不错的学习平台。使学生对PLC编程和机械手控制有较深的了解。7-沈阳航空职业技术学院论文第5章结论本文设计的机械手控制程序，基本上反映了机械手的结构和使用功能， 效果 直观，可操作性好；在该仿真上采用了 PLC控制，基本上可应用于真实机械手 中，因而在实践中，可基本脱离现场环境，事先编制出符合要求的控制软件，以 达到提高实际调试的成功率，运行在不同的方式下，实现诸多操纵方式的模拟， 克服了仿真软件功能单一，仅以演示为目的的局限性，为教学和科研提供了较理 想的实验平台，具有实用和推广价值。9-沈阳航空职业技术学院论文参考文献1 钟肇新可编程序控制器原理及应用广州：华南理工大学出版社 ,2002.2 章文浩可编程控制器原理及实验北京：国防工业出版社，2003.3 张建民机电一体化系统设计北京：高等教育出版社， 2001.4 徐国林.PLC应用技术北京：机械工业出版社，2007.#-用PLC实现的机械手自动控制系统程序设计致 谢本论文是在张连华导师精心指导下和热情帮助完成的。导师在学业上给了我 很大的帮助，在此我对导师表示衷心的感谢！本论文能够完成，要感谢电工电子系的所有老师，是他们在这三年的时间里， 教会我的专业知识。在我撰写论文期间，得到了我的指导老师的帮助，在忙碌的 工作之余，给予我专业知识上的指导，而且教给我学习的方法和思路，使我在论 文设计过程中不断有新的认识和提高。导师为论文课题的研究提出了许多指导性 的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。多得他们的指导和 帮助才使我能完成本论文。我会在以后的工作中为社会作出贡献去回报他们对我 的教导。希望每个人都和我一样，通过做毕业设计，能够学到很多的知识与道理， 大家都能用一颗热诚的心去投身未来的工作，报效祖国、父母、老师。在本文结束之际，特向我敬爱的导师和电工电子系的所有老师致以最崇高的 敬礼和深深的感谢！-1-2沈阳航空职业技术学院论文-11沈阳航空职业技术学院论文附录A指令语句表LDLDLDLDLDNJMPLDLDLPSANANANANLPPTONLDLD11.2M1.211.3M1.311.4M1.411.5M1.5M1.2010.4M0.4M0.4M0.1QO.OQ0.3Q0.4Q0.2T37, 100T37M0.110.5M0.5LDLPSANANANANLPPTONLDLDLDLPSANANANANLPPTONLDLDM0.5M0.0Q0.2Q0.3Q0.4Q0.0T38, 100T38M0.010.6M0.6M0.6M0.3Q0.3Q0.0Q0.2Q0.4T39, 100T39M0.310.7-#用PLC实现的机械手自动控制系统程序设计-1-2用PLC实现的机械手自动控制系统程序设计LDLPSANANANANLPPTONLDLDOANLDLDLBLLDNJMPLDLDLDNM0.7M0.7M0.2Q0.0Q0.2Q0.4Q0.3T40, 100T40M0.2I1.0M1.0M1.1M1.0M1.0Q0.111.1M1.10M1.31I0.2M1.7I0.0M2.0C4AOANANLPSANLPPTONLDLDOANLPSANLPPTONLDANOANLPSANLPPTONC8C5M0.1Q0.2M0.0Q0.0T39, 50T39M0.0C2Q0.1M1.7C1Q0.1T37, 50C3M0.2C6M1.7M0.1Q0.2T40, 50-1-2沈阳航空职业技术学院论文LDT40M0.1LDT42M0.3LDQ0.1LDM2.0AC4LDM1.7OQ0.3LDQ0.4OM0.2EDANM1.7OLDANQ0.4CTUC2, 2LPSLDM2.0ANM0.2LDM1.7=Q0.3LDQ0.4LPPEDTONT41,50OLDLDT41CTUC3, 3=M0.2LDM2.0LDM2.0LDM1.7LDM1.7LDQ0.4LDQ0.4EDEDOLDOLDCTUC4, 4CTUC1,6LDM2.0LDC7LDM1.7AC1LDQ0.4LPSEDANM0.3OLD=Q0.4CTUC5, 5LPPLDM2.0TONT42, 50LDM1.7-11用PLC实现的机械手自动控制系统程序设计LDQ0.4OM2.0EDANM1.7OLD=M2.0CTUC6, 7LDM2.0LDM2.0ANM0.1LDM1.7ANQ0.2LDQ0.4LPSEDANM0.0OLD=Q0.0CTUC7, 8LPPLDM2.0TONT39, 50LDM1.7LDT39LDQ0.4=M0.0EDLDM0.0OLDOQ0.1CTUC8, 1ANM1.7LBL1LPSLDNM1.4ANT38JMP2=Q0.1LDI0.2LPPOM1.7TONT37, 50ANI0.0LDT37=M1.7ANM0.2LDI0.1OT38OM2.1ANM1.7ANI0.0LPS=M2.1ANM0.1LDI0.0=Q0.2-1-2沈阳航空职业技术学院论文LPPANM0.3TONT40, 50=Q0.4LDT40LPP=M0.1TONT42, 50LDQ0.1LDT42AM0.1=M0.3OQ0.3LBL2OM0.2LDNM1.5ANM1.7JMP3ANQ0.4LDI0.1LPS=M2.1ANM0.2LDI0.2=Q0.3=M1.7LPPLDI0.0TONT41,50OM2.0LDT41ANM1.7=M0.2=M2.0LDM0.0LDM2.0LDT42ANM0.1ANM2.1ANQ0.2OM1.7LPSCTUC1,2ANM0.0LDC1=Q0.0TONT38, 30LPPLDM0.1TONT39, 50ANM1.7LDT39AT38=M0.0LPSLDM0.0OQ0.1ANM0.2ANM1.7=Q0.3LPSLPPANT38TONT41, 50=Q0.1LDT41LPP=M0.2TONT37, 50LDM0.0LDT37LDI0.0ANM0.2OM1.7OT38ANM2.1ANM1.7CTUC1,2LPSLDC1ANM0.1TONT38, 30=Q0.2LDM0.1LPPAT38TONT40, 50LPSLDT40ANM0.3=M0.1=Q0.4LDQ0.1LPPAM0.1TONT42, 50OQ0.3LDT42OM0.2=M0.3ANM1.7LBL3ANQ0.4ENDLPS-13-沈阳航空职业技术学院论文附录B梯形图程序-15-沈阳航空职业技术学院论文-#-沈阳航空职业技术学院论文Net.vork -11.2M12T Ic) MhKJrtc ；hfitcDrk 3I 10.6 UD.6III.4Mil.4I()hMThk 4I-.5M1.5T IC )M#t#ork 5U12 nT I VF)Mfet-,iDrk 610.4 MD.4彳Ic)T3JHet* 14T39 W3 7WD.7T I；)INTOK打 R frs-#-沈阳航空职业技术学院论文INTONFT+ ：: rr=M07U0.2 M.O 00 2Q0.4 QO 3H l-AI_l-ld_I I()T40IN TOtJVi =7: : r*5-#-沈阳航空职业技术学院论文-#-沈阳航空职业技术学院论文T37U011 Ir活-1-6沈阳航空职业技术学院论文-17-沈阳航空职业技术学院论文I T41 M2/ 11T42IN TONT 1OT miCTClW.3Q0.M2.0M0.1Q0.2 IM.O ODOIN TONPT 1：C *rsV： 13 zL if T彩IN TONPT *C trmNetivork 52-#-沈阳航空职业技术学院论文-21-沈阳航空职业技术学院论文Hetwork 53T41V：.OT42M17IN TONNetwoik 57T2 MO. 3 H I()Netwrtt &S向hmm ark 53M1 5j1 |怙町a氏 50ID.1 U2.1T I()C-FT Mr-#-沈阳航空职业技术学院论文W.1 M1J TM W.303.4T IJI 十 IT42IN TON刃-PT R nrstr.wrx ClM20M0.100.2M3.000.0T IJ1Hl()T39IN TONKJ - PT tte-#-沈阳航空职业技术学院论文-#-沈阳航空职业技术学院论文左:，:E*!4NetAork 1NerDri： zcb.TVO.l人之畑农72T2i14T2ZIN TgINTONPT1： T-Neterrk 57-23-