【正文】 ....... 22 結(jié) 束 語 ................................................................................................................... 24 致 謝 ................................................................................................................... 25 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 26 附 錄 ................................................................................................................... 27 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 1 1 緒論 引言 隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)化設(shè)備代替人工作業(yè)成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展 趨勢(shì)。對(duì)控制回路硬件 和軟件的設(shè)計(jì)使該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在兩個(gè)工作臺(tái)之間工件的搬運(yùn)，包括左移、右移、上升、下降、夾緊和放松六個(gè)動(dòng)作過程，并且可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作的轉(zhuǎn)換。 本文首先對(duì)機(jī)械手控制的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析 ，詳細(xì)列舉了常用 的 機(jī)械手控制方式。 機(jī)械手 可在空間抓 、放、搬運(yùn)物體 ，動(dòng)作靈活多樣，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn) 及 其 它 領(lǐng)域 。PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 I PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 摘 要 機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。 它 是 集自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)量技術(shù)、新 型 傳感器技術(shù)、 計(jì)算機(jī)管理技術(shù)于一體的自動(dòng)控制產(chǎn)品。應(yīng)用 PLC 控制機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工序動(dòng)作，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。其次，利用 PLC 控制實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中常見的機(jī)械手控制。 最后 ，利用 iFIX 組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得系統(tǒng)得到最合理的控制。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、計(jì) 算機(jī)輔助制造系統(tǒng)，引導(dǎo)工業(yè)自動(dòng)化向一個(gè)新的領(lǐng)域過渡。它可代替人 進(jìn)行 繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全 [1]。這種控制系統(tǒng)使機(jī)械手擁有很高的效率性、精確性、實(shí)用性和低造價(jià)，并同時(shí)具有移動(dòng)和操作功能。 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的研究現(xiàn)狀及其實(shí)際意義 國(guó)內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮 機(jī)械手的作用。 國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。國(guó)外機(jī)械數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。 目前世界高端工業(yè)機(jī)械手 向 高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì) [17]。更重要的是將機(jī)械手、 柔性制造系統(tǒng) (Flexible Manufacturing Systems, FMS)和柔性制造單元 (Flexible Manufacturing Cell, FMC)相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與 發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展。然而在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。同時(shí)人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失誤及傷害。機(jī)械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故 [3]。 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高 勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐 。 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械 手 代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故 。應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 3 人力的另一個(gè)側(cè)面。 本課題 研究的 主要 內(nèi)容 通過對(duì)本系統(tǒng)的分析研究， 明確了 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有以下幾點(diǎn)： （ 1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求， 完成 該系統(tǒng) 的機(jī)械手控制系統(tǒng)的構(gòu)建。 （ 3）對(duì)系統(tǒng)工藝的各環(huán)節(jié)選型，并對(duì)其進(jìn)行深入的探討。 （ 5）完成設(shè)計(jì)說明書。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、控制方式不靈活及功率消耗大等缺點(diǎn)，目前已逐漸被人們 所淘汰；微機(jī)控制系統(tǒng)雖然在智能控制方面有較強(qiáng)大的功能，但也存在一定的不足之處，即抗干擾性差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)。 綜合考慮三種控制方式的特點(diǎn) ， 機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制優(yōu)先選擇 PLC控制 [5]。它是一個(gè)水平 /垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來將工件由工作臺(tái) A 搬到工作臺(tái) B。其中上升 /下降和左移 /右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手上升；當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手停止上升。機(jī)械手的夾緊 /放松由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。 當(dāng)機(jī)械手右移到位并準(zhǔn)備下降時(shí)，為了確保安全，必須在右工作臺(tái)上無工件時(shí)才允許機(jī)械手下降。 機(jī)械手的動(dòng)作過程如圖 22 所示。 ○ 2 同時(shí)接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊。上升到位時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，停止上升。右移到位時(shí)，碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，停止右移。下降到位時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降。 ○ 7 放松后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。 ○ 8 同時(shí)接通左移電磁閥，機(jī)械手左移。至此，機(jī)械手經(jīng)過了 8 步完成了一個(gè)周期的動(dòng)作 。自動(dòng)操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操作的方式 [6]。例如，當(dāng)選擇上 /下運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由上升 /下降按鈕控制。當(dāng)選擇夾緊 /放松運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由夾緊 /放松 按鈕控制。 單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周 期的動(dòng)作后就停止。在工作過程中，如按停止按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成此周期的動(dòng)作，回到原點(diǎn)后自動(dòng)停止。由工作方式選擇開關(guān)，來選擇不同的工作方式。 另外，面板上還設(shè)置了電源供給按鈕、緊急停車按鈕、電源指示燈以及機(jī)械手原點(diǎn)指示燈。 S7200 系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊能力以及豐富的擴(kuò)展模塊。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 PLC 的 選型 西門子 226 CPU 集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。 它有 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 ， 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器 ， 2 個(gè) RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 通過 對(duì) 系統(tǒng)的分析，本課題的機(jī)械手控制共有 18 輸入點(diǎn)， 6 個(gè)輸出點(diǎn)。 由以上描述可知， CPU226 的 I/O 點(diǎn)充足 并且還有冗余， 最大負(fù)載電流為1000mA 以及其它功能均能滿足本文控制系統(tǒng)需要，故 該控制 系統(tǒng)不必添加擴(kuò)展模塊。 其 I/O 具體分配如表 31所 列 [11]。 控制系統(tǒng)的電氣原理圖 如圖 31 所示為 機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸入 /輸出電氣原理圖 。 結(jié)合著圖 23 控制盤面板布置圖和該圖一起使用，先選定工作方式即自動(dòng)或手動(dòng)。手動(dòng)工作方式下啟動(dòng)后，只需要操作面板上相應(yīng)動(dòng)作的按鈕即可實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械手的動(dòng)作過程。當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，按下急停按鈕，切斷了各個(gè)動(dòng)作的控制線圈回路，而此時(shí) PLC 仍能正常工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的可靠控制。 1 . 31 . 42 4 V D C1 M0 . 10 . 20 . 70 . 60 . 50 . 41 . 11 . 21 . 51 . 61 . 72 . 00 . 00 . 3P L CC P U 2 2 6A C / D C/ 繼 電 器0 . 00 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 71 . 02 2 0 V A C 電 源1 . 02 MML +1 LN。.自 動(dòng) 啟 動(dòng) 開 關(guān)下 限 位 開 關(guān)上 限 位 開 關(guān)右 限 位 開 關(guān)左 限 位 開 關(guān)工 件 檢 測(cè) 開 關(guān)手 動(dòng) / 自 動(dòng) 選 擇 開 關(guān)自 動(dòng) 方 式 下 步進(jìn) / 單 周 期 / 連續(xù) 選 擇 開 關(guān)自 動(dòng) 停 止 開 關(guān)手 動(dòng) 右 移 操 作手 動(dòng) 上 升 操 作手 動(dòng) 下 降 操 作手 動(dòng) 左 移 操 作手 動(dòng) 夾 緊 操 作手 動(dòng) 放 松 操 作電 磁 閥 下 降 線 圈電 磁 閥 上 升 線 圈加 緊 電 磁 閥 線 圈電 磁 閥 右 移 線 圈電 磁 閥 左 移 線 圈機(jī) 械 手 原 點(diǎn) 指 示2 . 1急 停 按 鈕L 12 L.2 2 0 V A C 電 源F u 1F u 2 圖 31 控制系統(tǒng)輸入 /輸出電氣原理圖 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 10 4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的 PLC控制的 軟件 設(shè)計(jì) PLC 程序設(shè)計(jì)思想 根據(jù)控制過程要求的復(fù)雜程度不同，可將 程序按結(jié)構(gòu)形式分為基本程序和模塊化程序。依據(jù)計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)思想，基本程序的機(jī)構(gòu)方式只有三種，即順序結(jié)構(gòu)、條件分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)機(jī)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)方法叫做模塊化程序設(shè)計(jì)。 根據(jù) 第二章機(jī)械手控制系統(tǒng)的 分析可知， 在每一種工作方式下 機(jī)械手的動(dòng)作是按照 原點(diǎn) → 下降 → 夾緊 → 上升 → 右移 → 下降 → 放松 → 上升 → 左移 → 原點(diǎn)這一過程 來完成的 ，系統(tǒng)通過相應(yīng)的限位開關(guān)來判斷是否完成相應(yīng)的動(dòng)作，完全是按照動(dòng)作先后順序來控制機(jī)械手 。將各個(gè)工作方式下的控制動(dòng)作 模塊組合在一塊就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。這樣設(shè)計(jì)系統(tǒng)能較簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。只有設(shè)計(jì)出系統(tǒng)流程圖，才可能順利而便捷地寫出梯形圖或?qū)懗稣Z句表，最終完成程序的設(shè)計(jì)。 根據(jù)機(jī)械手順序動(dòng)作的過程， 設(shè)計(jì)出機(jī)械手動(dòng)作的流程圖，如圖 41 所示。程序的編寫是軟件設(shè)計(jì)的具體表現(xiàn)，簡(jiǎn)單合理的程序能使系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，而且便于系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 在 控 制工程的應(yīng)用中，良好的軟件設(shè)計(jì) 更 方便 工程技術(shù)人員理解 、 掌握、調(diào)試系統(tǒng)與日常系統(tǒng)維護(hù)。如圖 42 所示。 手動(dòng)操作的控制見 (5)手動(dòng)操作控制子程序的分析。在主程序中還分別設(shè)計(jì)了上升、下降、夾緊、左移、右移的線圈，它們分別由子程序中相應(yīng)動(dòng)作的中間繼電器來控制。例如，控制機(jī)械手下降操作的中間繼電器有 、 、 、 、 、 、 只要其中一個(gè)有輸入信號(hào)，都會(huì)使控制下降操作 的 線圈 帶 電 ，使得對(duì)應(yīng)的電機(jī)推動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng) ，最終 完成機(jī)械手的下降動(dòng)作。當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，按下急停按鈕，切斷了各個(gè)動(dòng)作的控制線圈回路，而此時(shí) PLC 仍能正常工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的可靠控制。 (2) 自動(dòng)方式下步進(jìn)控制子程序 當(dāng)選擇開關(guān)撥到步進(jìn)控制位置時(shí)，進(jìn)入步進(jìn)控制子程序，完成機(jī)械手一步一步地動(dòng)作。例如 按下 ， 置位上電，會(huì)使主程序中的線圈 帶電進(jìn)而使控制機(jī)械手下降操作的電機(jī)工作完成下降動(dòng)作；按下 時(shí)會(huì)使 復(fù)位失電，機(jī)械手停止下降。程序完全是按照原點(diǎn) → 下降 → 夾緊 → 上升 → 右移 → 下降 → 放松 → 上升→ 左移 → 原點(diǎn)這一過程來編寫。 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 13 ( )( S )1S B R 0E NS B R 1E NS B R 2E NS B R 3E N( )( )( )( )( )( R )1( R )5 0( R )5 0M 0 . 0S M 0 . 1I 0 . 7I 0 . 7I 1 . 0I 1 . 1I 1 . 2I 1 . 2Q O . 5M 5 . 0M 5 . 0I 0 . 0I 0 . 6S 0 . 0Q 0 . 0M 2 . 0M 1 . 1M 3 . 4M 1 . 0M 3 . 0M 2 . 4M 4 . 0M 4