【正文】 ............................................................................................................................. 24 致 謝 .............................................................................................................................. 25 參考文獻 .............................................................................................................................. 26 附 錄 .............................................................................................................................. 27 PLC 在機械手控制系統(tǒng)中的應用 1 1 緒論 引言 隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，自動化設備代替人工作業(yè)成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展 趨勢。對控制回路硬件 和軟件的設計使該系統(tǒng)能實現(xiàn)機械手在兩個工作臺之間工件的搬運，包括左移、右移、上升、下降、夾緊和放松六個動作過程，并且可實現(xiàn)手動操作和自動操作的轉換。 本文首先對機械手控制的研究現(xiàn)狀進行了分析 ，詳細列舉了常用 的 機械手控制方式。 機械手 可在空間抓 、放、搬運物體 ，動作靈活多樣，廣泛應用在工業(yè)生產 及 其 它 領域 。PLC 在機械手控制系統(tǒng)中的應用 I PLC 在機械手控制系統(tǒng)中的應用 摘 要 機械手是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。 它 是 集自動控制技術、計量技術、新 型 傳感器技術、 計算機管理技術于一體的自動控制產品。應用 PLC 控制機械手能實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，不僅可以提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。其次，利用 PLC 控制實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場中常見的機械手控制。 最后 ，利用 iFIX 組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行組態(tài)，實現(xiàn)了對該系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)控，使得系統(tǒng)得到最合理的控制。工業(yè)機器人的發(fā)展和應用，結合計算機輔助設計系統(tǒng)、計 算機輔助制造系統(tǒng)，引導工業(yè)自動化向一個新的領域過渡。它可代替人 進行 繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全 [1]。這種控制系統(tǒng)使機械手擁有很高的效率性、精確性、實用性和低造價，并同時具有移動和操作功能。 國內外機械手的研究現(xiàn)狀及其實際意義 國內機械于主要用于機床加工、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)生產發(fā)展的需要。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮 機械手的作用。 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。 目前世界高端工業(yè)機械手 向 高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢 [17]。更重要的是將機械手、 柔性制造系統(tǒng) (Flexible Manufacturing Systems, FMS)和柔性制造單元 (Flexible Manufacturing Cell, FMC)相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 新世紀，生產水平及科學技術的不斷進步與 發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故 [3]。 應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高 勞動生產率，降低生產成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐 。 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合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械 手 代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故 。應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少PLC 在機械手控制系統(tǒng)中的應用 3 人力的另一個側面。 本課題 研究的 主要 內容 通過對本系統(tǒng)的分析研究， 明確了 本次設計的主要任務有以下幾點： （ 1）根據(jù)設計任務書的要求， 完成 該系統(tǒng) 的機械手控制系統(tǒng)的構建。 （ 3）對系統(tǒng)工藝的各環(huán)節(jié)選型，并對其進行深入的探討。 （ 5）完成設計說明書。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，目前已逐漸被人們 所淘汰；微機控制系統(tǒng)雖然在智能控制方面有較強大的功能，但也存在一定的不足之處，即抗干擾性差，系統(tǒng)設計較復雜，一般維修人員難以掌握其維修技術。 綜合考慮三種控制方式的特點 ， 機械手控制系統(tǒng)的控制優(yōu)先選擇 PLC控制 [5]。它是一個水平 /垂直運動的機械設備，用來將工件由工作臺 A 搬到工作臺 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。只有當上升電磁閥通電時，機械手上升；當上升電磁閥斷電時，機械手停止上升。機械手的夾緊 /放松由一個單線圈兩位置電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。 當機械手右移到位并準備下降時，為了確保安全，必須在右工作臺上無工件時才允許機械手下降。 機械手的動作過程如圖 22 所示。 ○ 2 同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊。上升到位時，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，停止上升。右移到位時，碰到右限位開關，右移電磁閥斷電，停止右移。下降到位時，碰到下限位開關，下降電磁閥斷電，停止下降。 ○ 7 放松后，上升電磁閥通電，機械手上升。 ○ 8 同時接通左移電磁閥，機械手左移。至此，機械手經過了 8 步完成了一個周期的動作 。自動操作方式又分為步進、單周期和連續(xù)操作的方式 [6]。例如，當選擇上 /下運動時，分別由上升 /下降按鈕控制。當選擇夾緊 /放松運動時， 分別由夾緊 /放松按鈕控制。 單周期操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手自動完成一個周 期的動作后就停止。在工作過程中，如按停止按鈕，則機械手將繼續(xù)完成此周期的動作，回到原點后自動停止。由工作方式選擇開關，來選擇不同的工作方式。 另外，面板上還設置了電源供給按鈕、緊急停車按鈕、電源指示燈以及機械手原點指示燈。 S7200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內置集成功能、實時特性、強勁的通訊能力以及豐富的擴展模塊。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)。 PLC 的 選型 西門子 226 CPU 集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點。 它有 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間 ， 6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器 ， 2 個 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應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 通過 對 系統(tǒng)的分析，本課題的機械手控制共有 18 輸入點， 6 個輸出點。 由以上描述可知， CPU226 的 I/O 點充足 并且還有冗余， 最大負載電流為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 機械手控制系統(tǒng)的輸入 /輸出電氣原理圖 。 結合著圖 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或手動。手動工作方式下啟動后，只需要操作面板上相應動作的按鈕即可實現(xiàn)所需的機械手的動作過程。當出現(xiàn)緊急狀況時，按下急停按鈕，切斷了各個動作的控制線圈回路，而此時 PLC 仍能正常工作，實現(xiàn)了對系統(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 啟 動 開 關下 限 位 開 關上 限 位 開 關右 限 位 開 關左 限 位 開 關工 件 檢 測 開 關手 動 / 自 動 選 擇 開 關自 動 方 式 下 步進 / 單 周 期 / 連續(xù) 選 擇 開 關自 動 停 止 開 關手 動 右 移 操 作手 動 上 升 操 作手 動 下 降 操 作手 動 左 移 操 作手 動 夾 緊 操 作手 動 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 械 手 原 點 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 在機械手控制系統(tǒng)中的應用 10 4 機械手控制系統(tǒng)的 PLC 控制的 軟件 設計 PLC 程序設計思想 根據(jù)控制過程要求的復雜程度不同，可將 程序按結構形式分為基本程序和模塊化程序。依據(jù)計算機程序的設計思想，基本程序的機構方式只有三種，即順序結構、條件分支結構和循環(huán)機構。這種設計方法叫做模塊化程序設計。 根據(jù) 第二章機械手控制系統(tǒng)的 分析可知， 在每一種工作方式下 機械手的動作是按照 原點 → 下降 → 夾緊 → 上升 → 右移 → 下降 → 放松 → 上升 → 左移 → 原點這一過程 來完成的 ，系統(tǒng)通過相應的限位開關來判斷是否完成相應的動作，完全是按照動作先后順序來控制機械手 。將各個工作方式下的控制動作 模塊組合在一塊就能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制功能。這樣設計系統(tǒng)能較簡便實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。只有設計出系統(tǒng)流程圖，才可能順利而便捷地寫出梯形圖或寫出語句表，最終完成程序的設計。 根據(jù)機械手順序動作的過程， 設計出機械手動作的流程圖，如圖 41 所示。程序的編寫是軟件設計的具體表現(xiàn)，簡單合理的程序能使系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行，而且便于系統(tǒng)軟件的設計。 在 控 制工程的應用中，良好的軟件設計 更 方便 工程技術人員理解 、 掌握、調試系統(tǒng)與日常系統(tǒng)維護。如圖 42 所示。 手動操作的控制見 (5)手動操作控制子程序的分析。在主程序中還分別設計了上升、下降、夾緊、左移、右移的線圈，它們分別由子程序中相應動作的中間繼電器來控制。例如，控制機械手下降操作的中間繼電器有 、 、 、 、 、 、 只要其中一個有輸入信號，都會使控制下降操作 的 線圈 帶 電 ，使得對應的電機推動氣缸運動 ，最終 完成機械手的下降動作。當出現(xiàn)緊急狀況時，按下急停按鈕，切斷了各個動作的控制線圈回路，而此時 PLC 仍能正常工作，實現(xiàn)了對系統(tǒng) 的可靠控制。 (2) 自動方式下步進控制子程序 當選擇開關撥到步進控制位置時，進入步進控制子程序，完成機械手一步一步地動作。例如 按下 ， 置位上電，會使主程序中的線圈 帶電進而使控制機械手下降操作的電機工作完成下降動作；按下 時會使 復位失電，機械手停止下降。程序完全是按照原點 → 下降 → 夾 緊 → 上升 → 右移 → 下降 → 放松 → 上升→ 左移 → 原點這一過程來編寫。 PLC 在機械手控制系統(tǒng)中的應用 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 .