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1、搬运智能手PLC控制系统1.前言随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运智能机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1-SQ9)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信
2、号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足。 机械手在自动化生产线上具有广泛的用途,它可以用来搬运货物、运送材料、传送工件等。本文主要介绍PLC在气缸生产线组装单元机械手中的应用。该机械手PLC控制气缸驱动,其任务是把组成气缸的各件,如缸体、活塞、弹簧、缸盖分别送到组装工位,经组装后再把成品送到分检工位分检。该生产线原采用5个自由度、步进电机驱动的机器人来完成此工作。但该机器人控制复杂、价钱昂贵、运行速度较慢。
3、改用由PLC控制的气动机械手来代替,经试验满足生产线对该部件的要求,并且控制方便、结构简单、价格便宜、可靠性高。 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置；而可编程控制器（）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用 气动机械手具有结构简单、造价较低、维护方便、速度快等特点。本系统就是通过应用西门子S7-200系列PLC控制气动机械手的运行，使机械手工作在手动、单周期、单步、连续和返回原点五种工作状态，并利用三维力控的监控系统对其工作过程监控。
4、 参考文献 陆一心主编.液压与气动技术. 北京：化学工业出版社，2004高钦和编著可编程逻辑控制器应用技术与设计实例北京：人民邮电出版社，2004.7西门子公司.SIMATIC S7-200可变程序控制器系统手册.2000.11王宏文主编自动化专业英语北京：机械工业出版社，2000.5吴中俊，黄永红主编可编程逻辑控制器原理及应用北京：机械工业出版社，2004.4李久胜，马洪飞，陈宏钧等编.电气自动化专业英语哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社2004.6 关键词 YL-235 PLC左移指令 机械手1 YL-235型光机电一体化装置机械手 亚龙YL-235型光机电一体化实训考核装置的各种机械采用电控气
5、阀一气缸驱动，物料采用电机一传送机构(或传送带)输送。检测采用磁性开关、光电开关、接近开关、行程开关等工业上常用的传感器。控制采用PLC和交流变频器以及配套的电气控制系统。机械手搬运机构的实物图如图1所示。 整个搬运机构能完成4个自由度动作:手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。手爪提升气缸:提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位;双杆气缸:机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制;旋转气缸:机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制;磁性传感器:检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置;手爪:抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧时磁性传感器有信号输出，单向电控气阀断电
6、，手爪松开;接近传感器:机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出;缓冲器:旋转气缸高速正转或反转到位时，起缓冲减速作用。 目录 设计任务书.1 一 PLC的特点.2二 机械手的控制要求.3三 机械手的的操作功能.4四 设计要求.5 4.1、整体设计.6五 控制对象介绍.75.1 控制原理.85.2 机械手系统过程示意图.9 5.3 开关量输入/输出模块的选择.105.3 开关的选择.11 六 控制要求.126.1 PLC的特点.136.2 PLC的结构和工作原理.14 1.1plC可编程序控制器：文档 1PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全可编
7、程逻辑控制器，定义是: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。PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控
8、制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器
9、及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2.1、PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O
10、板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，2系统工作概述 （2）控制方案2.1控制要求 系统装置机械手搬运机构有如下控制要求: (1)设备在正常初始状态下，按启动按扭后，送料电机驱动放料盘旋转，将物料从储料盘中送出。光电传感器检测到物料到达，送料电机停止转动，机械手臂伸出到位后，手爪下降抓物，然后手爪提升，手臂缩回，手臂向右旋转到右限位，手臂伸出，手爪下降将物料放到进料口，最后机械手返回原位
11、重新开始下一个流程。 (2)设备的初始状态为储料盘中有物料。机械手在左限位置，手爪提升气缸、旋转气缸、双杆气缸的活塞杆缩回，手指处于松开状态，送料电机停止。 (3)若突发故障需要进行急停，可按下急停按钮。松开急停按钮，设备继续执行原流程。 (4)按下停止按钮，机械手无论在一个流程的什么位置，都必须完成该流程，设备才能停止。2. 2硬件配置 控制系统采用松下PLC作为控制器，通过用户程序实现对机械手搬运机构的逻辑控制，可靠实现机械手的启、停和各种动作。PLC全部采用开关量控制，输人量包括启动、停止、送物料出、手爪夹紧点、手爪提升、手爪下降、手臂伸出、手臂缩回、手臂左转、手臂右转、紧急停止，共12
12、点;输出量包括料盘电机、手爪夹紧、手抓松开、手抓下降、手抓提升、手臂伸出、手臂缩回、手臂左转、手臂右转，共9点。根据点数选用松下FP X 30R, L60R完全能够满足要求 本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成，其中底盘由一个步进电机驱动，可顺逆时针旋转;立杆由一个步进电机驱动，可上下移动;手臂由一个步进电机驱动，可前后伸缩;手由气泵控制，可抓紧和放松。在相应位置都有位置检测信号用于定位。 (1) 出货过程 从复位位置启动,根据要求到相应出货台(1，2，3号货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应
13、出货台(左,或右出货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。 (2) 进货过程 从复位位置启动,根据要求到相应出货台(左，或右出货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(1，2，3号货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。 3 系统设计思想 步进控制电路设计思想，PLC继电器式输出模块工作速度较低，故采用高频脉冲方波发生器，给出步进脉冲，其振荡频率按步进电机速度设置，步进量的控制采用位置检测，根据位置检测信号用PLC的输出点切断进给电机，实现步进电机的停车, 其
14、程序流程图如图2所示。电机的停车, 其程序流程图如图2所示。 4 机械手的动作流程传送带B处于连续运行状态，故不需要用PLC控制。机械手及传送带C 顺序动作的要求是：1) 按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作；2) 左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作；3) 下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作；4) 启动传送带A运行，由光电开关SP检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；5) 手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；6) 右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作；7) 手臂
15、再次下降，至下降限位开关再次动作；8) 放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。9) 按下停止按钮SB2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。 在整个机械手运行控制过程中，采用限位开关以及面板操作开关以及系统逻辑开关作为输入点，整个系统中底盘有5个限位开关，分别作为5个位置的定位输入点，立柱有4个限位开关，分别为1个复位开关、一号位限位输入量、上限位、下限位。手臂有3个限位开关:手臂复位限位数入点、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位开关，为抓手复位输入点。一共13个限位开关完成全部的控制输入。各限位开关分布情况见
16、图1，由于在整个控制过程中全部是通过控制步进电机驱动模块再驱动步进电机执行。这里对用集成脉冲输出触发步进电机驱动器原理进行说明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分别对升/降步进电机、前/后步进电机发送脉冲;CPU 226的Q0.2对转盘步进电机发送脉冲。而步进电机的正/反转则分别是CPU 226的Q0.4和Q0.5分别对升/降步进电机、前/后步进电机实行控制;CPU 226 的Q0.6和Q0.7分别对转盘步进电机正反、抓手气泵开关实行控制。 机械手PLC程序的设计编写采用了STEP 7-Micro/WIN32软件的数据表(STL)的形式。程序设计修改方便，设计完成可联
17、机调试，没有问题再把步进电机接上。上位机监控软件采用北京亚控的组态王软件，通过变量映射实现组态软件的变量与PLC的寄存器的动态连接，从而实现了上位机对PLC的监控。 根据对机械手的顺序动作要求，可以画出时序图如图3所示。由时序图可作出图3所示的机械手动作流程图。图3 机械手佛那故作布序图图3 机械手动作流程图5 PLC选型及其I/O点编号分配5.1 PLC的选型由于机械手系统的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本OMRON（立石）公司生产的多功能小型C20P主机。该机输入点为12，输出点为8。内部主要有：136个辅助继电器、16个特
18、殊功能继电器、160个保持继电器、8个暂存继电器、48个定时/计数器、64个16位数据存贮器。5.2 I/O点编号分配根据图3所示的机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的I/O点分配，如表1所示。表1 机械手控制I/O分配表根据图3流程图和表1的I/O分配表，可以编制出状态转移图如图4所示。图4 机械手状态转移图6 编程及程序运行6.1 用步进指令编程根据图4状态转移图，编制的步进梯形图程序如图5所示。图5中，“全部输出禁止”部分的作用是在停止时禁止全部输出，使机械手停止在现行的工步上；重新起动时又能从停止前的工步继续动作。在状态由HR010转移至HR000的条件中，增加了保持继电器的常闭触
19、点，其作用是：当机械手工作在某一中间工步时，若PLC断电或停止运行，机械手停止在中间工步上。PLC复电或重新投入运行后，由于保持继电器HR具有状态断电保护的功能，因此在重新起动时，中有某一个是断开的，使得HR000不能置位，机械手只能从停止前被置位的保持继电器的后续工步继续动作。6.2 程序运行按下起动按钮SB1，输入点0000为ON,则作为互锁条件的辅助继电器1000为ON，互锁指令IL接通，IL与ILC之间的线圈正常工作，“全部输出禁止”解除。若(抓图1)常闭触点都为ON，保持继电器HR000接通，输出点0503使上升电磁阀得电，手臂上升。当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点0005闭合
20、，保持继电器HR001 接通，HR000复位，输出点0501使左转电磁阀得电，手臂左转。.以后每当一步动作到位，限位条件满足时，状态转移，进行下一工步动作。当状态转移到HR008为ON时，输出点0506使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器TIM00计时。当计时2秒到，状态又转移到HR000，程序又重新从第一工步开始循环。停止时，按下停止按钮SB2，0001断开，辅助继电器1000为OFF，互锁指令断开，全部输出被禁止，但各保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。当重新按起动按钮时，互锁指令接通，停止前的输出被恢复，机械手继续在停止前某保持继电器为ON的工步动作。7 结束语 机械手搬运机构是亚龙YL-235型光机电一体化实训装置的重要组成部分，本文只对机械手搬运机构的控制程序作了说明，在调试过程中，还要跟其它机构的控制程序(物料传送和分拣机构的控制程序)相结合。试验和现场应用表明，利用PLC左移指令控制机械手完成各种动作，具有较高的稳定性和准确性。本机械手控制系统结构紧凑，动作可靠，使用方便，已较好地应用于我校的科研教学中。 致 谢
