气动机械手控制系统设计

1、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，近儿年也有较快的发展，并取得了一定的效果，受到机 械丄业和铁路工业等部门的重视。机械手可在空间抓、放、搬运物

2、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 山耐高温、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、容易控制等优关键词：气动机械手;S7200系列PLC； CPU226：第1章引言1第2章系统总体方案设计22程序设

3、计的基本思路22.2气动机械手的控制要求22.3系统的硕件结构与操作功能22.3.1硬件结构22.3.2气动机械手的操作功能3第3章PLC控制系统设计43.1可编程控制器的CPU选择43.2气动机械手的I/O地址分配表43.3 PLC的输入输出设备接线图53.4气动机械手控制流程图63.5程序设计梯形图73.6语句表153.7 PLC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

4、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匸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

5、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。而山扫描方式引起的滞 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

6、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山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、 YV4o3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV3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

7、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。为了保证在紧急惜况下（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。 SQ4SQSa左行 W3*1紧开 夹松右行叩 下降YV1n工件A点B点图2-1机械手示意图上升YV2

8、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10. 5-11.2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12. 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，乂往前走一步。单步工 作方式常用于系统的调试。回原位右行下降单周期竿夹紧松开左行上升、手动启动负载电源 O 停止紧急獎 O图2-

9、2操作而板第3章PLC控制系统设计3.1可编程控制器的CPU选择根据设讣可知需要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/16D0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

10、I/O地址分配表如表3-1所示。表3-1 I/O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SQ110.0上升停止上限为开关SQ210. 1右行停止右限位开关SQ310.2左行停止左限位开关SQ110.3卜-降下降按钮SB310.41:升上升按钮SB110.5右行右行按钮SB510.6左行左行按钮SB611.7夹紧夹紧按钮SB711.0松开松开按钮SB811. 1手动操作手动开关SA1-012.0回原点操作回原点开关SA1-112. 1单步操作单步开关SA1-212.2单周期操作单周期开关SA1-312.3连续操作连续开关SA1-112.4急停急停按钮SB9

11、12.5启动启动按钮SB112.6停止停止按钮SB212.7输出信号卜-降下降电磁阀YV1Q0. 1夹松夹松电磁阀YV5Q0.0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YV4Q0.43. 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。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3-1 PLC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，

12、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程序设计梯形图程序注释冋踣1网络标题网貉注释:调用公用子程序SM0.0SBR.0II冋绪2|EN调用手动子程序I2.0SBR.111EN网络3调用自动回原位子程序12.1IISBR_2EN网络4调用单步，单周期和连续子程序网络厅机械手下降I2.5M4.0Q0.1U()M2.0IO.OII_II 7M2.4T

13、MM3.4 S1M3.2S 1网络3I机械手上升直至上限位开矣打开10.1M3.4M3.3*Mtran %ps ct rti . S7 200W-TJW IT 2 jtl TTf 下 丁丽药w（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 机械手先向上运动跖射羔as習*A 2lR川at 1725$7 2C01463羚i7；26QRLflBrTjksnrTmi2机械手行至上限位开关，机械手右移至原点。i.iKM-I O-WII 1-01 XM/3H IKo$ 5$UBR0VnNE_PL0CK 59FJ-5H=3血* 1（三）手动子程序调试如下：（此处以向下、夹紧为例）1

14、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。5TEMH 心SHA1IC席厝僭艸憎侧科”制0123456X012356701234567SMB ?8 :10_-L_IoSMB 29Iptsi 1I八 R.8 AkrtZU0ROUTBHLOC K 5BR.I 5OR1I 10 XG、Oj 2I C*lf I (W4) 3I0-.1-U34(M.OH I dc r*t*a4 I (cd?CECH 0X).50：l-idI I_()I C*DDOt3.ZD-D 1XO力0-1C,T _I I_ )P4S3仇7肿朋冷MSJWcrrw rinrr千竹名-逅囚区八砖2字和k.-S7_

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16、uT II I_ d_lH_c )21OW0-也*” rBSPROUTreiOCc S8MMO$： I0=0.1 (UMJ0 (U0RUN17:10 317:102机械手下降至下限位开关处，机械手开始夹紧，l7s以后上升。3机械手到达上限位，上限位开关打开，机械手右行。-S7_200&序(E) *SfiD E2&) Ptcte) 2.(0 般KtfiRUU Iff* 0EIoIDSMB 29 |闵口战i|松形崔SUBROUriHE.BlOCK 仙櫛林1LJ=W3 =. TUT廉龙芟】wo-ISt4ATwax if(cr 0(*?(*-$ MX) ?T I_I Id_卜|PLSO|II|PLS1

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18、（e）H示 10 整燃tj）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。设计总结课程设汁结束了，我自己感到收获颇丰。山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，更加明口了知识的重要性。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