关于西门子PLC对简单的机械手的应用举例

一、机械手简介

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

1、机械手分类

机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。

2、机械手控制系统设计步骤

根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的选型。(3)根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。(4)对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。(5)保存已完成的程序。

3、机械手工作过程：

    机械手在生产线上的任务是将工件从A处传送到B处。根据外界情况，机械手在空间上主要进行以下动作：机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上升，机械手与工件有右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，机械手左移。控制器检测上，下，左，右限位开关的通断，决定当前的动作，通过驱动系统输出，控制机械手的动作。同时，用两位数码管显示搬运工件的数量。

（1）启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。

原位    下降    夹紧    上升    右移

左移         上移       放松      下降

二、 PLC简介

可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示：

三、1、I/O配置表

共需十二个数字输入点，一个数字输出点，七个模拟量输出点。

S7-200中的CPU226的最大负载电流为1000mA，四个EM232模块的负载电流为80mA，符合要求。

机械手传送系统输入和输出点分配表

2、选型

S7-200丰富的种类：

·CPU221：内置10个数字量I/O点，不可扩充；

·CPU222：内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O；

·CPU224：内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O；

·CPU226：内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O；

主机为S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道。电源为220V交流电。

主机为西门子S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道，能够满足需要。电源为220V交流电。选择PLC时，应考虑性能价格比。

考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

3、PLC的输入输出端子分配接线图

四、机械手的PLC控制

1、控制特点

机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。

2、系统控制示意图

机械手传送工件系统示意图，如图1所示

                   图1  机械手传送示意及操作面板

3、原理接线图

4、操作系统

   操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。

其原理是：

把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。

5、回原位程序

回原位程序如图4所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。

6、手动单步操作程序　

如图5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。

7、自动操作程序

自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。

移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。

在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。

8、机械手传送系统梯形图

如图7所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。

回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。

五、态软件界面

1、  原位

2、运行中

   （上行、下行灯绿色为有效）

3、PLC与组态软件的连接

组态软件与PLC的连接使用的是设备目录下的DDE，再从DDE中选PLC，PLC      为西门子系列中的S7-200系列中的PPI方式。

4、运行程序

if (运行标志==1)

{

    if (次数>=0&&次数<50)

    {

        下移信号=1;

        机械手y=机械手y+2;

        次数=次数+1;

    }

    if (次数>=50&&次数<70)

    {

        下移信号=0;

        加紧信号=1;

        左爪=左爪+1/21*5;

        右爪=右爪-1/21*5;

        次数=次数+1;

    }

    if (次数>=70&&次数<120)

    {

        加紧信号=0;

        上移信号=1;

        机械手y=机械手y-2;

        工件y=工件y-2;

        次数=次数+1;

    }

    if (次数>=120&&次数<220)

    {

        上移信号=0;

        右移信号=1;

        机械手x=机械手x+1;

        工件x=工件x+1;

        左爪=左爪+20/21;

        右爪=右爪+20/21;

        次数=次数+1;

    }

    if (次数>=220&&次数<270)

    {

        右移信号=0;

        下移信号=1;

        机械手y=机械手y+2;

        工件y=工件y+2;

        次数=次数+1;

    }

    if (次数>=270&&次数<290)

    {

        下移信号=0;

        放松信号=1;

        左爪=左爪-1/21*5;

        右爪=右爪+1/21*5;

        次数=次数+1;

    }

    if (次数>=290&&次数<340)

    {

        放松信号=0;

        上移信号=1;

        机械手y=机械手y-2;

        次数=次数+1;

    }

    if (次数>=340&&次数<440)

    {

        上移信号=0;

        左移信号=1;

        机械手x=机械手x-1;

        左爪=左爪-20/21;

        右爪=右爪-20/21;

        次数=次数+1;

    }

    if (次数==440)

    {

        左移信号=0;

        次数=0;

        工件x=0;

        工件y=100;

\\本站点\左爪=0;

\\本站点\右爪=10/210*100;

        if (停止标志==1)

        {

            停止标志=0;

            运行标志=0;

        }

    }

}