气动机械手控制系统设计.docx
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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
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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S7—200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；S7—200系列PLC；CPU226；
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
3.3PLC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
3.7PLC程序调试 23
结论 30
设计总结 31
谢辞 32
参考文献 33
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。
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I0.5—I1.2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
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S7-200CPU226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。
控制信号
输
入
信号
输出信号
表3-1I/0地址分配表
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
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
左行
左行电磁阀
YV4
Q0.4
3.3PLC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。
PLC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3-1PLC的输入输出设备的接线图
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
3.5程序设计梯形图
○A
○A
○B
○B
○C
○C
○D
○D
○E
○E
○F
○F
○G
○G
3.6语句表
ORGANIZATION_BLOCK主程序:
OB1
TITLE=程序注释：
主程序BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释：
调用公用子程序
LD SM0.0
CALL SBR0
Network2
//调用手动子程序
LD I2.0
CALL SBR1
Network3
//调用自动回原位子程序
LD I2.1
CALL SBR2
Network4
//调用单步，单周期和连续子程序
LD I2.4
O I2.3
O I2.2
CALL SBR3
Network5
//机械手下降
LD M2.0
O M2.4
AN I0.0
LD M3.4OLD
AN I2.5
AN M4.0
= Q0.1
Network6
//机械手夹紧
LD M2.1
O M3.1
S Q0.0
TON T37,17
Network7
//机械手松开
LD M2.5
O M3.2
O M4.2
O M4.3
R Q0.0,1
TON T38,17
Network8
//机械手上升
LD M2.2
O
AN
M2.6
I0.1
LD
M3.3
O
M4.3
OLD
AN
I2.5
=
Q0.2
Network9
//机械手右行
LD M2.3
AN I0.2
O M3.5
OLD
AN I2.5
AN M4.1
= Q0.3
Network10
//机械手左行
LD M2.7
AN I0.3
O M3.6
O M4.4
AN I2.5
= Q0.4
END_ORGANIZATION_BLOCKSUBROUTINE_BLOCKSBR_0:
SBR0
TITLE=子程序注释BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释END_SUBROUTINE_BLOCKSUBROUTINE_BLOCKSBR_1:
SBR1
TITLE=子程序注释公用子程序BEGIN
Network1//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
Network2
//机械手回原点
LD SM0.0
O I2.0
O I2.1
LPS
A M0.5
S M0.0,1LPP
AN M0.5
R M0.0,1
Network3
//系统进入手动，回原点工作方式
LD I2.0
O I2.1
R M2.0,1
Network4
//系统进入单步，单周期和连续工作方式
LDN I2.4
R M0.7,1END_SUBROUTINE_BLOCKSUBROUTINE_BLOCKSBR_2:
SBR2
TITLE=子程序注释：
手动子程序BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释机械手夹紧
LD I1.0
S M3.1,1
Network2
//上限位开关常闭
LD I1.1
R M3.2,1
Network3
//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
Network4
//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
Network5
//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
Network6
//机械手右行直至右限位开关打开
LD I0.6
AN I0.2
A I0.1
AN M3.6
= M3.5
END_SUBROUTINE_BLOCKSUBROUTINE_BLOCKSBR_3:
SBR3
TITLE=子程序注释：
自动回原点子程序BEGIN
Network1//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
Network2
//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
Network3
//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
Network4
//回到初始位置，上限位开关常闭变常开
LD M1.0
AN I0.1
= M4.3
Network5
//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_BLOCKSUBROUTINE_BLOCKSBR_4:
SBR4
TITLE=子程序注释：
单步，单周期，连续工作方式子程序BEGIN
Network1//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
Network2
//允许机械手工作状态发生步与步直接转换
LD I2.6EU
ON I2.2
= M0.6
Network3
//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
Network4
//机械手夹紧
LD M2.0
A I0.0
A M0.6
O M2.1
AN M2.2
= M2.1
Network5
//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
Network6
//机械手右行
LD M2.2
A I0.1
A M0.6
O M2.2
AN M2.3
= M2.3
Network7
//机械手下降
LD M2.3
A I0.2
A M0.6
O M2.3
AN M2.4
= M2.4
Network8
//机械手松开
LD M2.4
A I0.0
A M0.6
O M2.5
AN M2.6
= M2.5
Network9
//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
Network10
//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
Network11
//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_BLOCKINTERRUPT_BLOCKINT_0:
INT0
TITLE=中断程序注释BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释
END_INTERRUPT_BLOCK
3.7PLC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Step7Micro/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CPU226；
3.点“程序”-“载入程序”；
4.选择Step7Micro/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
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）
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）
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。
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。
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。
8.机械手行至原点，开始下降。
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。
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
升级会员 