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1、 高职机电一体化技术专业可编程序控制器应用技术课程设计说 明 书题 目 基于PLC气动机械手控制系统设计 班 级 10机电一体化技术 设计人员 苏杭 设计地点 B4-303 时 间 2012-5-14 2012-6-15 指导教师 张勇 目 录第1章 引言11.1气动机械手的控制要求11.2气动机械手的工作方式11.3系统流程图2第2章 PLC控制系统的设计32.1气动机械手的硬件系统设计32.1.1气动机械手的硬件系统32.1.2电器元件的选择32.2气动机械手的软件结构设计42.2.1 PLC的I/O地址分配42.2.2 PLC的外部接线图52.3程序设计及梯形图62.3.1 程序设计说明
2、62.3.2 程序梯形图7总结16附录17参考文献22摘 要 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。气动机械手控制系统的设计要求是在控制系统的指令下，能将工件迅速、灵活、准确、可靠地抓起并运送到指定位置。在工业生产中， 利用气动机械手将工件从一条生产线搬运到另一条生产线是一种高效的工作方式。因此采用PLC可编程控制器作为工件抓取机械手的控制系统，根据机械手的控制要求和所能实现的操作功能，设置动作流程，分配输入输出接点，按所需来选PLC的型号，接着进
3、行梯形图的编辑，最后进行程序的编辑与调试，从而使机械手能够完成符合设计要求的动作。关键词： 机械手 可编程控制器 PLC 控制设计第1章 引言1.1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，必须驱动反向德线圈才能反向运动。 2、上升、下降的电磁阀线圈分别为YV1、YV2；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，线圈通电夹紧，断电松开； 4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s实现；5、机械手的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现；1.2气动机械手的工作方式
4、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1-1）。 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。 单步单周期 回原位连续手动 夹紧SB7右行SB5 下降SB3启动SB1负载电源松开SB8左行SB6 上升SB4 停止SB2紧
5、急停车SB9图1-1 气动机械手的控制面板1.3系统流程图如图1-2所示：接通电源是系统启动开始扫描，扫描手动式判断手动按钮的是执行手动操作，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。单周期连续是否在原点检测等待检测等待连续操作是否停止系统启动回原点手动单步手动操作回原点操作单步操作是否在原点单周期操作是否在原点检测等待 YYNYNYYYNNYYYNNYYYYNNY 图1-2 气动机械手控制流程图第2章 系统总体方案设计2.
6、1气动机械手的硬件系统设计2.1.1气动机械手的硬件运行方式 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时背松开。工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板左下部的6个按钮式手动按钮。为了保证在紧急情况下可靠地切断负载电源，设置了交流接触器KM。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。左行SQ3SQ4 右行下降夹紧上升SQ2松开SQ1 图2-1 气动机械手示意图2.1.2可编程控制器的CPU选择气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家
7、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。基于PLC 控制的气动机械手系统。与同类系统相比，节省了大量的电气元件，大大降低了开发成本。适用性更强。因此，本设计应采用PLC进行控制：由控制要求可知，系统共需要输入端口18个，输出端口5个。西门子S7-200系列PLC硬件配置灵活，既可以用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量I/O模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。西门子S7-200 CUP226/AC/DC/RLY有输入端口24个，输出端
8、口16个，符合要求;为使控制系统的结构更简单，可靠性更高，故本次设计采用西门子S7-200CUP226/AC/DC/RLY完成PLC硬件结构配置。2.2气动机械手的软件结构设计2.2.1 气动机械手的I/O地址分配由上硬件系统的选择可知控制系统由一个CPU226分配地址如表2-1 表2-1 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输入 信号下降停止下限位开关SQ1I0.1上升停止上限为开关SQ2I0.2右行停止右限位开关SQ3I0.3左行停止左限位开关SQ4I0.4下降下降按钮SB3I0.5上升上升按钮SB4I0.6右行右行按钮SB5I0.7左行左行按钮SB6I1.0夹紧夹紧按
9、钮SB7I1.1松开松开按钮SB8I1.2手动操作手动开关I2.0回原点操作回原点开关I2.1单步操作单步开关I2.2单周期操作单周期开关I2.3连续操作连续开关I2.4急停急停按钮SB9I2.5启动启动按钮SB1I2.6停止停止按钮SB2I2.7输出 信号夹松夹松电磁阀YV5Q0.0下降下降电磁阀YV1Q0.1上升上升电磁阀YV2Q0.2右行右行电磁阀YV3Q0.3左行左行电磁阀YV4Q0.42.2.2 PLC外部接线图PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。气动机械手控制外部接线图如图2-2所示。图2-2 cpu226外部接线图 2.4 程序设计及
10、梯形图2.4.1程序设计说明SM0.0的常开触点一直闭合，公用程序是无条件执行的。在手动工作方式下，I2.0为ON，执行手动子程序。在自动回原点方式下，I2.1为ON，执行回原点子程序，在其他3种工作方式下执行自动子程序。由于S7-200PLC的顺控指令不支持直接输出的双线圈操作，所以要用中间继电器逻辑过度一下，如本次设计的机械手下降，上行，夹紧、松开、左行、右行等都需要用中间继电器过渡。公用程序见下图用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及处理不同工作方式之间的转换。左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的M4.5的常闭触点的串联电路接通时，原点条件M0.5变为ON
11、。当机械手处于原点位置状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或者自动回原点状态，初始步对应的M0.0将被置位，进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。如果此时M0.5为OFF状态，M0.0将被抚慰，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统将不能在单步，单周期，和连续工作方式下工作。当系统处于手动工作方式时，必须将初始步以外的各部队赢得存储器位（M2.0-M2.7）复位，否则系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后返回自动工作方式时。为了保证安全运行，在手动程序中设置了一些必要的连锁。设置上升与下降之间,左行与右行之间的互锁,以防止功能相反的两个输出同时为ON.有限位开关限制机
12、械手移动的范围。用限位开关I0.1-I0.4限制机械手移动的范围。用上限位开关I0.2的常开触点与控制左，右行的M3.6和左行的M4.4的继电器串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞。单周期、连续和单步这三种工作方式主要是“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分的。1）单步与非单步的区别M0.6的常开触点接在每一个控制代表步的存储器位的启动电路中，他们断开时禁止步的活动状态的转换，如果系统处于单步工作方式，I2.2为1状态，常开触点断开，“转换允许”存储器位M0.6在一般情况下为0状态，不允许步与步之间的转换。当某一步的工作结束后，转换条件
13、满足，如果没有按启动按钮I2.6，则M0.6处于0状态，起保停电路的启动电路处于断开状态，不会转换到下一步。一直要等到按下启动按钮I2.6，M0.6在I2.6的上升沿ON一个扫描周期，M0.6的常开触点接通，系统才会转换到下一步。2）单周期与连续的区分在连续工作方式下，I2.4为1状态。初始步为活动步时按下启动按钮I2.6，M2.0变为1状态，机械手下降。于4此同时，控制连续工作的M0.7的线圈通电并自保持。当机械手在步,M2.7返回最左边时，I0.4为1状态，因为连续标志位M0.7为1状态，转换条件M0.7-I0.4满足，系统将返回步M2.0，反复连续的工作下去。按下停止按钮I2.7后，M0
14、.7变为0状态，但是机械手不会立即停止工作，在完成当前工作周期的全部操作后，机械手返回最左边，左限位开关I0.4为1状态，转换条件满足系统才能从M2.7返回并停留在初始步。在单周期工作方式，M0.7一直处于0状态。当机械手在最后一步,M2.7返回最左边时，左限位开关I0.4为1状态，转换条件满足，系统返回并停留在初始步，按一次启动按钮，系统只工作一个周期。2.4.2 程序梯形图 总 结在本次课程设计中，不仅使我对机电传动控制这门课进行了更加深入的了解。在绘制I/O接线图和编写课程设计说明书的过程中也让我对AUTO CAD和OFFICE办公软件的使用更加熟练。 通过此次气动机械手的PLC的设计使
15、我对于电路的控制有了更加具体的了解，对于现代工厂自动化生产有了更深层次的认识。在这次的课程设计中,我更加深刻地了解到我的不足之处,以后要加倍努力尽可能牢固地掌握PLC的相关知识，并将所学知识更好的用于自己今后的工作当中。附录（语句表）ORGANIZATION_BLOCK 主程序:OB1TITLE=程序注释：主程序BEGINNetwork 1 / 网络标题/ 网络注释：调用公用子程序LD SM0.0CALL SBR1Network 2 / 调用手动子程序LD I2.0CALL SBR2Network 3 / 调用自动回原位子程序LD I2.1CALL SBR3Network 4 / 调用单步，单
16、周期和连续子程序LD I2.4O I2.3O I2.2CALL SBR4Network 5 / 机械手下降LD M2.0O M2.4AN I0.2LD M2.4O M4.0OLDAN I2.5= Q0.1Network 6 / 机械手松开LD M2.1ON M3.1= Q0.0TON T37, 17Network 7 / 机械手夹紧LD M2.5O M3.2O M4.2ON M4.5R Q0.0, 1TON T38, 17Network 8 / 机械手上升LD M2.2O M2.6AN I0.2LD M3.3ON M4.3OLDAN I2.5= Q0.2Network 9 / 机械手右行LD
17、M2.3AN I0.3O M3.5O M4.1AN I2.5= Q0.3Network 10 / 机械手左行LD M2.7AN I0.4O M3.6O M4.4AN I2.5= Q0.4END_ORGANIZATION_BLOCKSUBROUTINE_BLOCK SBR_0:SBR0TITLE=子程序注释BEGINNetwork 1 / 网络标题/ 网络注释END_SUBROUTINE_BLOCKSUBROUTINE_BLOCK SBR_1:SBR1TITLE=子程序注释公用子程序BEGINNetwork 1 / 网络标题/ 网络注释：判断机械手是否在原点LD I0.4A I0.2AN M4.
18、5= M0.5Network 2 / 机械手回原点LD SM0.1O I2.0O I2.1LPSA M0.5S M0.0, 1LPPAN M0.5R M0.0, 1Network 3 / 系统进入手动，回原点工作方式LD I2.0R M2.0, 1Network 4 / 系统进入单步，单周期和连续工作方式LDN I2.4R M0.7, 1END_SUBROUTINE_BLOCKSUBROUTINE_BLOCK SBR_2:SBR2TITLE=子程序注释：手动子程序BEGINNetwork 1 / 网络标题/ 网络注释机械手夹紧LD I1.1S M3.1, 1Network 2 / 上限位开关常
19、闭LD I0.2R M3.2, 1Network 3 / 机械手上升直至上限位开关打开LD I0.6AN I0.2AN M3.4= M3.3Network 4 / 机械手下降直至下限为开关打开LD I0.5AN I0.2AN M3.3= M3.4Network 5 / 机械手左行直至左限位开关打开LD I1.0AN I0.4A I0.2AN M3.5= M3.6Network 6 / 机械手右行直至右限位开关打开LD I0.7AN I0.3A I0.2AN M3.6= M3.5END_SUBROUTINE_BLOCKSUBROUTINE_BLOCK SBR_3:SBR3TITLE=子程序注释：
20、自动回原点子程序BEGINNetwork 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 I2.1A I2.6S M1.0, 1R M4.0, 1Network 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 M1.0A I0.2S M1.1, 1R M1.0, 1R M4.1, 1Network 3 / 左限位开关打开，将步M4.2复位，LD M1.1A I0.4S M1.1, 1R M4.2, 1Network 4 / 回到初始位置，上限位开关常闭变常开LD M1.0AN I0.2= M4.5Netwo
21、rk 5 / 回到初始位置，左限位开关常闭变常开LD M1.1AN I0.4= M4.4END_SUBROUTINE_BLOCKSUBROUTINE_BLOCK SBR_4:SBR4TITLE=子程序注释：单步，单周期，连续工作方式子程序BEGINNetwork 1 / 网络标题/ 网络注释：机械手处于连续工作状态LD I2.6O M0.7A I2.4AN I2.7= M0.7Network 2 / 允许机械手工作状态发生步与步直接转换LD I2.6ON I2.2EU= M0.6Network 3 / 机械手下降LD M2.7A I0.4A M0.7LD M0.0A I2.6A M0.5OLD
22、A M0.6O I2.0AN M2.1= M2.0Network 4 / 机械手松开LD M2.0A I0.1A M0.6O M2.1AN M2.2= M2.1Network 5 / 延时1.7秒后，机械手夹紧LD M2.1A T37A M0.6O M2.2AN M2.3= M2.2Network 6 / 机械手右行LD M2.2A I0.2A M0.6O M2.2AN M2.4= M2.3Network 7 / 机械手下降LD M2.3A I0.3A M0.6O M2.3AN M2.5= M2.4Network 8 / 机械手夹紧LD M2.4A I0.1A M0.6O M2.5AN M2.
23、6= M2.5Network 9 / 延时1.7秒后，机械手上升LD I2.5A T38A M0.6O M2.6AN M2.7= M2.6Network 10 / 机械手左行LD M2.6A I0.2A M0.6O M2.7AN M2.0AN M0.0= M2.7Network 11 / 判断机械手工作状态LD M2.7A I0.4AN M0.7A M0.4O M0.0AN M2.0= M0.0END_SUBROUTINE_BLOCKINTERRUPT_BLOCK INT_0:INT0TITLE=中断程序注释BEGINNetwork 1 / 网络标题/ 网络注释END_INTERRUPT_BL
24、OCK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 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).3 SMC( 中国) 有限公司. 现代实用气动技术. 北京： 机械工业出版社，1998.4 张鲁国.PLC 在机械手控制系统中的应用. 微计算机信息，2000(16).5 朱怀忠, 王恩海. 液压与气动技术. 北京： 科学出版社,2007.6 廖常处. PLC 编程及应用 . 北京： 机械工业出版社，2002. 7 陈志权. 基于PLC 气动机械手的控制系统. 自动测量与控制，2008(4). 8 谭维瑜.电机与电气控制. 北京：机械工业出版社,1999.9 钟肇新,王灏. 可编程控制器入门教程. 广州：华南理工大学出版社,1999.