毕业论文-机械手模型装置控制系统的设计

机械手模型装置控制系统的设计 摘 要 摘要：随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。本文根据在实验室设备的条件下，主要介绍基于 S7-300 PLC 的机械手工件取放控制系统的设计。机械手PLC程序需要满足手动程序和自动程序（包括单周期模式和循环模式），并且需要设计回原点程序将机械手从运行时的各种状态有步骤返回原点，以便调试。利用 S7-300 PLC 的功能模块，设计一个主程序和 2 个子程序，主程序用于转换手动程序和自动程序，子程序分别为手动子程序和自动子程序。通过实际试验并对各种问题进行调试，该气动机械手运行良好，各项机械、气动、电气性能指标均达到预期要求。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、实现复杂的动作等诸多独特的优点,可以预见,在不久的将来,气动机械手将越来越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域。 关键词：机械手，PLC，控制系统，工件 I 机械手模型装置控制系统的设计 Abstract：Introduced the structure of S7-300 PLC-based manipulators workpiece pick-and-place control system,manipulators controlling requirements in the process and how to implement its automatic operating function.Used S7-300 PLC functional module to design logical function block and organization block procedures. Keywords： manipulator，PLC ，control system ，workpiece II 机械手模型装置控制系统的设计 目录 第一章 引言 .1 1.1研究背景 .1 1.2实验室机械手模拟装置工艺及控制要求 .1 1.3实验室机械手详细控制要求 .2 第二章 机械手模拟装置所用检测与执行元件 .4 2.1 光电传感器的原理和分类 .4 2.1.1 光电传感器型号 .5 2.2 电磁传感器的原理 .7 2.2.1 电磁开关传感器型号 .8 2.3 电磁阀的结构和工作原 理 .8 2.3.1 电磁阀型号 .9 2.4 直流电机 .11 第三章 硬件设计 .13 3.1 PLC和DCS、单片机、继电器控制方法的比较 .13 3.1.1 PLC和单片机比较 .13 3.1.2 PLC和DCS比较 .13 3.1.3 PLC与继电器控制比较 .14 3.2 PLC型号 .14 3.3 电器主回路图 .17 3.4 PLC操作面板 .18 3.5 系统输入输出清单 .19 3.5.1 输入 .19 3.5.2 输出 .19 3.6 PLC控制器硬件配置和选型 .20 3.7 PLC硬件组态 .20 3.8 PLC编程元件地址分配 .21 3.9 PLC输入/输出接线图 .22 3.9.1 接线端示意图 .22 3.9.2 输入/输出端子接线图 .24 III 机械手模型装置控制系统的设计 3.10 程序流程图 .26 第四章 软件设计 .27 4.1 PLC梯形图控制程序 .27 4.2 程序调试及调试说明 .40 第五章 结论 .41 参考文献 .42 致谢 .43 附录 .44 声明 .52 IV 第一章 引言 1.1 研究背景 工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。机械手一般由控制系统、驱动系统和执行系统组成。主要完成移动、转动、抓取等动作。控制系统是机械手的指挥系统,它通过控制驱动系统,让执行器按规定的要求进行工作,并检测其正确与否。机械手机械手的迅速发展是由于它具有积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。该技术在我国近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业企业的重视。但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一，不能进行在线管理3。 应用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率，特别是计算机与PLC联机，能够实现远距离控制，大大提高生产的安全性。 1.2 实验室机械手模拟装置工艺及控制要求 机械手的动作过程分解： 从原点开始，按下启动按钮时，前进电磁阀通电，机械手前进，前进到位时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止。若此时工作台上有工件，则光电开关接通，同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。接着下降电磁阀通电，机械1机械手模型装置控制系统的设计 手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，转盘旋转到下一个物件位置；放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。碰到左限位开关时，左移电磁阀断电，同时后退电磁阀通电，机械手后退。至此，机械手经过10步动作完成了一个周期。 机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。自动操作又分为单周期和循环操作方式。 手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。例如，当选择上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升；按下停止按钮，机械手下降。当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。 单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。 连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。 1.3 实验室机械手详细控制要求 1）在转盘底部安装了光电传感器，用以检测转盘是否定位好。当光电传感器检测到转盘定位好时为，传感器为断开状态。 2）机械手在原位时，按下启动按钮，系统起动，机械手开始运转。当有物件传感器检测到物品后，机械手下降并开始抓取物件；如果没有物件，则停止动作，保持当前状态直到在转向盘放上物件再继续下一步动作。 3）当机械手抓取物件进行到右极限，下限且放松物件时，立即打开时间窗口，驱动转向盘旋转到下一个物件位置。 4）机械手返回原位后，如果当前模式是单周期模式，则停止动作；如果当前模式是循环模式，则进行下一个循环动作。 5）按下停止按钮后，整个动作过程立即停止，再次开启则继续未完成的动作；按下回原点按钮后，机械手立即停止当前正在进行的动作，按步骤返回原点。 6）机械手的上升下降、前进/后退、左移右移和夹紧/放松的执行机构均采用双线圈的二位电磁阀驱动气压装置实现，每个线圈完成一个动作。 2机械手模型装置控制系统的设计 7）夹紧动作执行时，需要延长2s的时间再执行上升动作，以防夹紧动作执行时间太短，导致物件无法夹紧。 8）机械手的上升、下降、前进、后退、左移、右移、夹紧/放松动作均由极限开关控制。 9）转盘旋转动作由欧姆龙继电器控制。当旋转时，继电器动合触点闭合；停止时继电器动合触点断开。 /后退 前进 图 1-1 机械手动作示意图 3机械手模型装置控制系统的设计 第二章 机械手模拟装置所用检测与执行元件 2.1 光电传感器的原理和分类 光电传感器是一种能进行非接触检测的传感器，其具有检测范围广、检测距离远的优点。其最大检测距离往往和被检物的尺寸、形状、颜色及表面状态有关。对环境条件要求不严格，如高温区域、被检物半透明时均能正确检测，但不适宜用在潮湿结露或灰尘很大的场合20。 光电传感器一般由发射头(光源)和接收头两部分组成。它们可以相对独立安装，也可以安装于同一侧，其安装形式主要由被检测对象和检测环境决定。检测方式可分为对射式、反射式、偏振式、镜面式、漫反射式、会聚式和光幕式等。 如何选择检测方式应主要考虑以下几点因素: 1检测距离; 2被检物的尺寸; 3被检物的反光情况如何，如深色物体的反光能力弱; 4被检物是否处于振动场合; 5被检物与背景的色差如何; 6周围环境光强如何，例如是否存在自然光或人工照明; 7检测线路上是否有灰尘，灰尘会大大减小光电传感器的检测距离。 （1）反射式 反射式光电传感器的发射头和接收头安装于同一侧，在另一侧安装一反射板，当检测物遮挡了光线使接收头的强发生变化时，输出信号即跟随变化。反射式光电传感器允许反射光线有一定的角度变化，但是角度应小于 15。检测距离一般不超过10米，适用于高振动的场合，但不适合检测透明和半透明的物体。 （2）漫反射式 漫反射式光电传感器的发射头和接收头安装于同一侧，接收头只需很少量的反射光线就能检测到物体。漫反射式光电传感器适合于检测物体表面的色标(如商标或记号等)，例如检测某些需要喷漆的位置，或者检测物品上的标签等。但在使用时需注意，色标和背景之间的色差越大越好，最好是白底黑字，目前某些生产厂家生产的光电传感器的发射光线是可选的(例如红外线、可见光等)，便于用户根据需要选择。 4机械手模型装置控制系统的设计 2.1.1 光电传感器型号 （1）E18-D30NK（见图2-1） 图 2-1 E18-D30NK 厂商 温州新欧传感器科技有限公司 检测距离 30cm 检测方式 漫反射式（D） NPN常开 E18-D30NK 工作电压UV 1036 持续电流ImA 200 响应时间 ms 指向角 3 光源种类 红外光 短路保护 有 极性保护 有 防护等级 I 输出指示 LED 红色 工作温度 -25+55 连接方式 2m，PVC电缆 外壳材料 PBT 电气连接图（见图2-2） 图 2-2 E18-D30NK 电气连接图 5机械手模型装置控制系统的设计 （2）EE-SPY402（见图2-3） 图 2-3 EE-SPY402 厂商 欧姆龙有限公司 感应方式 反射式 感应距离 输出配置 入光时开 重量 工作电压 （最大波动） 工作电流 平均（高峰时） 反射对象 透明或不透明物体 差分距离 反射频率 光电类型 红外光 控制输出 防护等级 工作温度 -+ 电气连接图（见图2-4） 图 2-4 EE-SPY402 电气连接图 6机械手模型装置控制系统的设计 2.2 电磁传感器的原理 电磁类接近开关是传感器家族中众多的传感器中的一种，它是利用电磁感应的工作原理，用先进的工艺制成的，是一种位置传感器。它能通过传感器与物体之间的位置关系变化，将非电量或电磁量转化为电信号，再通过二次仪表对电信号的处理达到控制或测量的目的。 1、电感式接近开关原理 电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由 LC 高频振荡器、信号触发器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁场经由传感器的感应面释放出来。当有金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，就会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，当信号触发器探测到这一衰减现象时，便把它转换成开关电信号。由此识别出有无金属物体接近开关，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。 2、霍尔式接近开关原理 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为：U=KIB/d，其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔接近开关就属于这种有源磁/电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用先进的集成封装和组装工艺制作而成，它可方便地把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。 霍尔接近开关的输入端是以磁感应强度B来表征的， 当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔接近开关内部的触发器翻转，霍尔接近开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和电感式接近开关类似有：NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出几种类型之分。霍尔接近开关是磁性接近开关中的一种，具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌制做成一体化结构，所以能在各类恶劣环境下可靠地工作。霍尔接近开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，它是一种新型的电器配件。图2是它的内部原理及转移特性图。霍尔式开关比电感式开关响应频率高，它用磁钢触发，7机械手模型装置控制系统的设计 电感式用导磁金属触发，霍尔式开关感应距离除了与传感器本身性能有关外，还与所选磁钢磁场强度有关。 磁性开关与其它接近开关的特点比较 优点：（1）传感器可以整体安装在金属中。（2）传感器对并排安装没有任何要求。（3）传感器顶部（传感面）可以由金属制成。 （4）传感器具有价格低廉，结构简单。（5）它具有大的感应范围和高的开关频率。 缺点：（1）动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。（2）检测体的接近方向会影响动作距离的大小， （径向接近是轴向接近时动作距离的一半） 。 （3）径向接近时有可能会出现两个工作点。 （4）检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。 2.2.1 电磁开关传感器型号 台湾气立可CS系列气缸感应器（见图2-5） 图 2-5 CS-9D 电磁开关参数： 表 2-1 CS-9D 参数 型号 适用电压V 适用电流mA 接触型式使用温度 适用气缸型式 CS-9D DC,AC 4-120V 40-50 常开型 -1060 JD,JTD,JCB(F),SCR(L),TD, FMR,STU(M),HDL,HDT,TBTSB(U),TXB(U),MSR, STB(C,D)STF 8机械手模型装置控制系统的设计 2.3 电磁阀的结构和工作原理 先导式双向电磁阀主要由阀体、常闭主阀瓣、常开主阀瓣、先导阀瓣、电磁铁等零部件组成。主阀瓣和活塞之间通过顶杆相连(图 1),其特点是内部无弹簧等弹性复位元件,完全靠气动力和电磁力切换各气 路通道,控制常开腔和常闭腔供气和密封,最高工作压力50MPa。 当电磁铁处于断电状态时,进口气体分为两路,一路直接作用于常开主阀瓣上使其打开,电磁阀常开腔 B 供气,另外一路作用于先导阀瓣上,并沿气体通道进入常闭控制腔 F 内,使常闭主阀瓣密封。当电磁铁通电后,先导阀瓣关闭,常闭控制腔 F内气体从放气口 D 排入大气,常闭控制腔 F 泄压,常闭主阀瓣开启,电磁阀常闭腔 C供气,同时气体也会沿气体通道进入到常开控制腔E内,将常开主阀瓣压紧密封。 图 2-6 先导式双向电磁阀 9机械手模型装置控制系统的设计 2.3.1 电磁阀型号 4V110-06（见图2-7） 图 2-7 4V110-06 电磁阀 厂商 台湾 AirTAC 工作介质 空气（经滤网过滤） 动作方式 内部先导式 位置数 五口二位 有效截面积 平方毫米（） 接管口径 进气出气排气 润滑 不需要 使用压力 最大耐压力 工作温度 - 电压范围 -+ 耗电量 ： ： 耐热等级 级 保护等级 接电形式 直接出线式或端子式 最高动作频率 次秒 励磁时间 秒以下 重量 内部结构（见图 2-8） 10机械手模型装置控制系统的设计 图 2-8 先导式双向电磁阀内部结构 2.4 直流电机 LINIX联谊直流电机 电机参数： 表2-2 电机参数 型号 额定电压 额定功率45ZY24-10/60JB120G832 24VDC 10W 11机械手模型装置控制系统的设计 外形尺寸： 12机械手模型装置控制系统的设计 第三章 硬件设计 3.1 PLC 和 DCS、单片机、继电器控制方法的比较 3.1.1 PLC 和单片机比较 PLC价格高，体积相对较大，但功能丰富，可实现各种复杂的控制，运行可靠，可以适应各种恶劣的环境，目前广泛代替了传统的继电器控制方式，在工业生产上应用广泛。 单片机是单芯片电子计算机的简称，也可以实现自动控制，与PLC相比，它的特点是体积小、价格低（只要十几块甚至几块钱就能买到一片，而PLC动辄上千甚至更贵），但对运行环境的要求较高。目前主要用于家用电器等不太复杂的控制。 3.1.2 PLC 和 DCS 比较 DCS 是一种疏散式控制系统,而 PLC 只是一种控制装置,两者是系统与装置的差别.DCS 可以实现任何装置的功能与和谐,PLC 装置只实现本单元所具备的功能. 1、接口：DCS在整个设计上就留有大批的可扩大性接口,外接系统或扩大系统都十分便利,PLC所搭接的整个系统完成后,很难实现接口扩展。 2、安全性: DCS 采取了双冗余的控制单元,当主要把持单元呈现故障时,都会有相干的冗余单元实时无扰的切换为工作单元,保证全部系统的安全可靠。PLC 所搭接的系统基础没有冗余的概念，当某个 PLC 单元产生故障时,不得不将全部体系停下来,才能进行调换保护并需重新编程。DCS系统要比其安全可靠性上高一个等级。 3、系统软件：对各种工艺控制方案更新是DCS的一项最基础的功能,工程师只须要在工程师站上将更改过的方案编译后,履行下 装命令就可以了,下装进程是由系统主动完成的,不影响原控制方案运行。对于 PLC 系统来说,工作量极其宏大,先要断定更新的是哪个PLC,然后要用编译器进行程序编译,最后再用读写器专门一对一的将程序传送给这个 PLC,不但费时费力，还不利于维护，而且在控制精度上相差甚远。 4、模块:DCS系统所有I/O模块都带有CPU,可以实现对采集及输出信号品德断定与标量变换,故障带电插拔,随机调换. PLC 模块只是简略电气转换单元,没有智能芯片,故障后相应单元全体瘫痪. 13机械手模型装置控制系统的设计 3.1.3 PLC 与继电器控制比较 1、控制方式：继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。 2、控制速度：继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。 3、延时控制：继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。 综上所述，PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，适用于复杂的工业环境；配套齐全，功能完善，适用性强，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能；易学易用，照顾到现场电操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制采用简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学。 对于机械手模型装置控制系统来说，采用 PLC 控制方案实现各种规定的预定动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率，提高生产的安全性。 3.2 PLC 型号 根据本次实验所用的检测与执行元件的输入和输出点数要求，以及基于控制方法和成本的考虑，实验选用紧凑型CPU312C的PLC型号（见图3-1）。 紧凑型CPU为CPU 31xC系列，是在CPU 31x IFM系列的基础上推出的功能更强，结构更紧凑的CPU模板，它们均配置了MMC卡（Micro Memory Cart 微存储卡）和9针MPI（Multi Ponit Interface 多点通信接口），有的还配置了9针DP（Decentral Peripherals 分散外围设备）接口，有的则配置了15针PtP(Ponit to Point 点对点)接口2。 14机械手模型装置控制系统的设计 图 3-1 紧凑型 PLCCPU312C 技术参数： 概述 1、带集成数字量输入和输出的紧凑型CPU 2、适用于对处理能力有较高要求的小型应用 3、带有与过程相关的功能 CPU 运行需要微存储卡 应用： CPU 312C 是一种紧凑型 CPU，用于对过程处理速度要求很高的小型应用。集成数字量输入和输出可实现与过程的直接连接。此外，可以使用于过程处理相关的功能： 1、计数 2、频率测量 设计： CPU 312C 装配有： 1、微处理器 15机械手模型装置控制系统的设计 每条二进制指令的处理时间达到 200 - 400 ns。 2、扩展存储器 32 KB 高速 RAM (相当于 10 K 指令) ,显著提高用户程序的空间;微存储卡(MMC)(最大 4 MB),可作为装载存储器,也可以将项目存储到 CPU 中(包含全部的符号和注释)。 3、灵活的扩展能力 多达 8 个模块，（单机架结构） 4、多点接口 MPI 内置 MPI 接口可以最多同时建立 6 个与 S7-300/400 或与 PG、PC、OP 的连接。在这些连接中，始终分别为 PG 和 OP 各保留一个连接。通过 “全局数据通讯” ，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。 5、内置输入/输出 10个数字量输入(均可用于报警处理)和6个数字量输出，用于连接过程信号。 功能： 1、口令保护 用户程序使用密码保护，可防止非法访问。 2、诊断缓冲； 最后100个故障和中断事件保存在该缓冲区中，供诊断使用。 3、免维护的数据后备； 在断电的情况下，CPU自动地将保持数据写到微存储卡中再次通电时它能保持不变。 16机械手模型装置控制系统的设计 3.3 电器主回路图 L FR 热继电器 QF 断路器 KM 接触器 SA AC220HL M 电源模块 AC220V DC24V N 图 3-2 电器主回路图 17机械手模型装置控制系统的设计 3.4 PLC 操作面板 原点指示灯 上升 下降 左移 右移 放松 加紧 启动 停止 电源开关 急停 循环 手动 操作面板单周期 电源指示灯 前进 后退 回原点 图 3-3 PLC操作面板 18机械手模型装置控制系统的设计 3.5 系统输入输出清单 3.5.1 输入 表3-1 输入清单 序号 名称 面板符号 电路器件 1 启动/ 停止 开关 启动/ 停止 SB1 2 手动/ 自动 开关 手动/ 自动 SB2 3 启动/ 停止（自动） 开关 启动/ 停止（自动） SB3 4 单周期/ 循环 开关 单周期/ 循环 SB4 5 回原点 开关 回原点 SB5 6 手动左转/ 右转 开关 手动左转/ 右转 SB6 7 手动前进/ 后退 开关 手动前进/ 后退 SB7 8 手动上升/ 下降 开关 手动上升/ 下降 SB8 9 手动抓取/ 放松 开关 手动抓取/ 放松 SB9 10 手动转盘 开关 手动转盘 SB10 11 转盘定位 传感器 转盘定位 SQ1 12 有工件 传感器 有工件 SQ2 13 右限位 传感器 右限位 SQ3 14 左限位 传感器 左限位 SQ4 15 前限位 传感器 前限位 SQ5 16 后限位 传感器 后限位 SQ6 17 上限 传感器 上限 SQ7 18 下限 传感器 下限 SQ8 19 夹/ 松状态 传感器 夹/ 松状态 SQ9 3.5.2 输出 表3-2 输出清单 序号 名称 面板符号 电路器件 1 左行/ 右行 电磁阀 左行/ 右行 YV1 2 前进/ 后退 电磁阀 前进/ 后退 YV2 3 上升/ 下降 电磁阀 上升/ 下降 YV3 4 加紧/ 放松 电磁阀 加紧/ 放松 YV4 5 转盘 继电器 转盘 KM119机械手模型装置控制系统的设计 3.6 PLC 控制器硬件配置和选型 表 3-3 控制器硬件配置选型 插槽号 模板名称 模板型号 数量 1 电源模块 PS3075A 1 2 CPU 模块 CPU312C 1 3 DI 模块 SM321 DO 16XDC24V 1 4 安装轨道 1 3.7 PLC 硬件组态 电源模块 地址范围 槽号 1 2 3 4 I124.0 I125.1 Q124.0Q124.5I0.0 I1.7 CPU 模块 数字量输入模块图 3-4 PLC硬件组态 20机械手模型装置控制系统的设计 3.8 PLC 编程元件地址分配 表 3-5 PLC编程元件地址分配 序号 信号名称 地址 1 手动左/右转 I0.0 2 手动前进/后退 I0.1 3 手动上升/下降 I0.2 4 手动抓取/放松 I0.3 5 手动转盘 I0.4 6 手动/自动 I1.0 7 启动/停止 I1.1 8 单周期/循环 I1.2 9 启动/停止（自动方式） I1.3 10 回原点 I1.4 11 转盘定位 I124.0 12 有工件 I124.1 13 右限位 I124.2 14 左限位 I124.3 15 前限位 I124.4 16 后限位 I124.5 17 上限 I124.6 18 下限 I124.7 19 夹/松状态 I125.0 20 单周期/循环辅助器 M0.0 21 单周期/循环标志 M0.1 22 后退信号 M9.0 23 下降信号1 M60.0 24 下降信号2 M60.1 25 上升信号1 M70.0 26 上升信号2 M70.1 27 抓取信号 M80.0 28 放松信号 M80.1 29 原始位 M90.0 30 回原点信号 M90.1 31 左行/右行 Q124.0 32 前进/后退 Q124.1 33 上升/下降 Q124.2 34 抓取/放松 Q124.3 35 转盘 Q124.4 21机械手模型装置控制系统的设计 3.9 PLC 输入 /输出接线图 3.9.1 接线端示意图 CPU 312C（见图 3-5） 图 3-5 CPU312C 接线端示意图 22机械手模型装置控制系统的设计 SM321 DI 16XDC24V（见图 3-6） 图 3-6 SM321 数字输入模块接线端口示意图 23机械手模型装置控制系统的设计 3.9.2 输入/ 输出端子接线图 19DC24VCPU312C DI10/D06XDC24VCPU 312C输入输出端子接线图 转盘定位 有工件 右限位 18171615141312111009080706050102030420左限位 后限位 上限 下限 夹/ 松状态 前限位 前进/ 后退 SQ6 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ7 SQ8 SQ9 YV1YV2YV3YV4KM1DC24V上升/ 下降 抓取/ 放松 转盘 左行/ 右行 图 3-7 CPU312C 输入输出端子接线图 24机械手模型装置控制系统的设计 19DC24V数字量输入模块 SM321 DI 16XDC24V数字输入模块端子接线图 手动左/ 右转 手动前进/ 后退 手动上升/ 下降 18171615141312111009080706050102030420SB1 SB2 SB3 手动抓取/ 放松 SB4 SB6 SB7 SB8 SB9 手动/ 自动 启动/ 停止 单周期/ 循环 启动/ 停止（自动方式） SB10 SB5 手动转盘 回原点 图 3-8 SM321 数字输入模块端子接线图 25机械手模型装置控制系统的设计 3.10 程序流程图 图3-9 程序流程图 延时 延时 左限 上限 下限 上限 有工件 前限 原点 前进 下降 夹紧 上升 右移 下降 放松 上升 左移 后退 停止 循环模式 单周期模式 自动方式 启动 右限 26机械手模型装置控制系统的设计 第四章 软件设计 根据设计任务，本程序需要完成手动程序（单步模式）和自动程序（包括单周期模式和循环模式） ，所需的开关、传感器和电磁阀数量较多，I/O 输入点数也较多，用传统的主程序编程方法编程极为困难，出现问题调试改进很不方便。故采用主程序和子程序的设计方法，将手动程序和自动程序区分开来，各自独立编程，彼此互不相关，手动程序在FC1内设计，自动程序在FC2内设计，不仅给程序设计和调试带来很大方便，而且减少了设计时间。 4.1 PLC 梯形图控制程序 OB1为主程序，手动/自动开关为互锁设计 图 4-1 机械手主程序 27机械手模型装置控制系统的设计 FC1为手动程序，先判断机械手是否在原点位置 手动回原点程序 图 4-2 机械手手动子程序 28机械手模型装置控制系统的设计 手动右转程序 手动左转程序 手动前进程序 手动后退程序 图 4-3 机械手手动子程序 29机械手模型装置控制系统的设计 手动上升程序 手动下降程序 手动抓取程序 手动放松程序 图 4-4 机械手手动子程序 30机械手模型装置控制系统的设计 手动转盘程序 利用时间开关来控制转盘旋转到下一个物料位置 图 4-5 机械手手动子程序 31机械手模型装置控制系统的设计 FC2为自动程序，先判断机械手是否在原点位置 回原点程序 图 4-6 机械手自动子程序 32机械手模型装置控制系统的设计 启动回原点程序时，机械手按照步骤返回原点，信号辅助器全部置0 单周期模式和循环模式的开关，采用互锁设计 图 4-7 机械手自动子程序 33机械手模型装置控制系统的设计 自动启动程序开始，先将辅助器信号全部清0，执行前进动作 执行下降动作 图 4-8 机械手自动子程序 34机械手模型装置控制系统的设计 转盘程序，用时间开关来控制旋转到下一个物料位置 下降到位后延时2s后执行抓取动作 图 4-9 机械手自动子程序 35机械手模型装置控制系统的设计 抓取延时2s后执行上升动作 上升到位后延时2s执行右行动作 图 4-10 机械手自动子程序 36机械手模型装置控制系统的设计 右行到位后延时3s执行下降动作 下降到位后延时2s执行放松动作 图 4-11 机械手自动子程序 37机械手模型装置控制系统的设计 执行放松动作后延时1s执行上升动作 上升动作到位延时2s执行左行动作 图 4-12 机械手自动子程序 38机械手模型装置控制系统的设计 左行动作到位后延时2s后执行后退动作 左/右下降信号和左/右上升信号为互锁设计，保护2个程序不被同时执行 抓取和放松程序为互锁设计，保护程序不同时执行 图 4-13 机械手自动子程序 39机械手模型装置控制系统的设计 4.2 程序调试及调试说明 由于机械手模型装置控制系统的设计，往届的学生没有做过，设计时发现很多十分棘手的毛病，甚至有些问题在厂家交付使用时就存在。 调试问题1：初始安装接线时，发现S7-300系列的CPU312C模块只有10个输入点，并且全部占用，无法再接入手动功能所需的 10 个输入端口，只能增加数字输入模块（SM321 DI 16XDC24V）,才能使用手动模式的程序。 调试问题2：有工件传感器和转盘定位的传感器能够使用，但是连接到PLC模块的输入点显示灯亮度十分微弱，经检查，如果用该传感器当开关驱动其他电磁阀，电磁阀无法动作，也就是说明该输入端口的电流很小，导致驱动不了电磁阀。后经加装2个2000欧的电阻，电磁阀才可动作。 调试问题3：转盘定位时经常位置定位不准，经检查是定位传感器安装位置不对，使用工具改动该传感器安装位置，问题得到解决。 调试问题4：有工件传感器存在反射距离过远，反射指向角度不准的问题，经发现是传感器底部的螺丝没有调好，传感器固定位置过高，改动位置，将螺丝调到最小时问题得到解决。其实应该使用反射传感器最好，建议改换成反射式传感器。 调试问题 5：设计梯形图程序时，需要频繁使用电磁阀，特别是执行上升/下降，左行/右行动作时，要调用多次辅助器，有时会发生意想不到的问题，致使程序崩溃，执行动作错乱，故设计了自动程序一个周期执行完后，辅助器数据清零的程序，没有再发生系统崩溃情况。 40机械手模型装置控制系统的设计 第五章 结论与展望 5.1 结论 基于 S7-300 PLC 的气动机械手经安装、调试，运行良好，各项机械、气动、电气性能指标均达到预期要求。用PLC对