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1、前 言在工业生产的各个领域，机械加工企业为了提高生产效率，采用机械化流水作业的方式，对不同类型的零件分别组成的自动生产线。随着产品机型的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，使生产线的机械设备按新的工艺过程运行，而继电接触器控制器系统是采用固定接线，很难适应这个要求，大型自动生产线的控制系统使用的继电器数量很多，这种有触点的电器工作频率较低，在频繁动作情况下，寿命较短，从而造成系统故障，使生产线的运行可靠性降低。新的控制器PLC 的诞生带来了全新的控制理念,崭新的控制系统结构以及继电-接触器控制系统远远不可及的强大功能,随着PLC的应用日益普及,其使用方法简单,便于掌
2、握,且可靠性极高,抗干扰性很强,自身具有完善的功能.模块化的结构,使其在工业生产线上的应用越来越广泛。因此我们采用西门子公司生产的S7-200型PLC为主控机开发了机械手臂自动生产线控制系统。这个设计主要针对的是化工和轻工业的产品包装生产线。该系统由置箱机，可编程控制器，传送带，电机，零件感应系统等组成，可很好地完成相关的控制。由于我们的水平有限，时间仓促，设计中难免有错误和不足之处，恳请老师批评指正。 第一章课题介绍1.1 课题设计内容 如图1-1所示是某机械手的工作示意图。该机械手的任务是将工件从工作台A搬到工作台B。机械手的初始位置在原点，机械手设有手动.单周期.单步.连续四种工作方式，
3、工作是要首选选择工作方式，然后操作对应按钮。1.1.1手动工作方式：可按相应按钮实现左移.右移上移下移加紧放松各个动作的单独调整。1.1.2连续工作方式:按下启动按钮，机械手臂按下降加紧上升右移下降放松上升左移的顺序周而复始的连续工作；按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按钮，系统立即停车。1.1.3 单周期工作方式：按下启动按钮后，机械手按下降夹紧上升右移下降放松上升左移的顺序自动工作一个周期而停止。若要在工作一个周期，可在此按下启动按钮。按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按钮，系统立即停车。1.1.4单步工作方式：每按一次启
4、动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。按下急停按钮，系统立即停车。1.2课题设计的具体要求1明确控制要求。2.PLC输入输出点的分配。3.编制机械手PLC梯形图控制程序。4.调试机械手PLC梯形图控制程序。1.3课题来源及研究的目的和意义 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）即PLC，自从1969年第一台可编程控制器在美国面世以来，经过三十多年的发展，现在可编程控制器已成为最重要最可靠应用场合最为广泛的工业控制微型计算机。在PLC中，充分应用了大规模集成电路技术。微电子技术及通讯技术。迅速的从早期的逻辑控制发展到进入位置控制.伺服控制.过程控制等领域。
5、用可编程控制器已经构成包括逻辑控制.过程控制.数据采集与控制.图形工作站等综合控制系统.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，甚至危及与生命。由于以上的问题，需要一种新型工具代替人在恶劣环境中作业的要求呼之欲出，同时随着社会的进步，工业自动化产品的性能日夜加强，而价格也因电子技术的高速发展而不断下降。对原有的控制设备可以高性价比进行改进，通过采用先进的控制技术和驱动技术，使设备运行更加节能。高效，安全可靠。机械手就这样诞生了，自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓放搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生
6、产品种的中.小批量自动化生产，广泛应用与柔软性自动线。机械手一般有耐高温，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。机械手是工业机械手的重要组成部分，在很多情况下他就可以称为工业机械手。工业机械手是集机械.电子.控制.计算机.传感器.人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机械手，不仅可以提高产品的质量和产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 第二章机械手和PLC的概念及选择2.1机械手的概念 机械手也被称为自动手。 能模仿人手和臂的某些动
7、作功能，用以固定程序抓取，搬运物件或操作工具的自动操作装置他可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保证人生安全，因而广泛应用于机械制造.冶金.电子.轻工和原子能等部门。 机械手主要有手部和运动机构组成。手部是用来抓工件的部件， 根据被抓持物件的形状.尺寸.重量.材料和作业要求有多种形式，如夹持型托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动.移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降.伸缩.旋转等独立运动方式，成为机械手的自由度。为了抓取空间任意位置或方位的物体，须有六个自由度。自自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活
8、性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2至3个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可以分为液压式.气动式.电动势.机械式机械手；按适用范围可分为专用式和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点控制式和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，正在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操作，如用于原子能部门操持危险物品的主从是操作手也常称为机械手。 本文利用MCGS全中文工控组态软件和基于MCGS全中文组态软件开发的计算机监控PLC模拟实验系统通软件实现机械手的仿真。机械手模拟控制窗口图
9、2.1所示。图2.1中机械手可抓紧.放松工件，可上下左右移动，模拟见面右侧为按控制要求设计的操作台。2.2PLC的概念 可编程控制器为（Programmable Logic Controller,简称PLC）,是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用处理器装置。 国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是专门为在工业环境下应用而设计一种数字运算操作的电子装置，是带有储存器.可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按异于
10、与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。PLC具有可靠性高.适应面广.控制性强.操作方便.抗干扰能力强.编程方便.对环境要求低.与其它装置配置连接方便等特点。在工业自动化控制系统中占有极其重要的地位。 本文选用的PLC是西门子公司开发的S7-200系列，PLC编程软件选用的是STEP7-Micro/WINv4.0. 第三章 PLC控制机械手的系统3.1选择I/O设备由机械手执行机构可知：3.1.1输入为十四个开关量的信号，由限位开关.按钮.光电开关组成。3.1.2输入为六个开关量信号，由24V电液控制.液压驱动线圈和指示灯组成。32选择PLC型号根据控制要求，PLC控制系统选用S
11、IEMENS公司的S7-200系列CPU214，因为点数不够，另外选择扩展模块EM221。3.3系统的硬件设计3.3.1分配PLCI/O地址.内部辅助继电器的地址。表3-1为PLCI/O和所有内部辅助继电器地址分配表。3.3.2绘制PLC输入/输出接线端子图。根据表3-1可以绘制出PLC输入/输出接线端子图，见图3-2。3.4系统的软件设计4.1设计控制系统流程图或功能表图。控制系统流程图见图3-3。4.2PLC控制系统程序设计。（1）整体设计。为编程结构简洁.明了，可把手动程序和自动程序分别编成相对独立的子程序模块，通过调用指令进行功能选择。当工作方式选择开关选择自动方式（单步.单周期.连续
12、）时，I1.0，I1.1，I1.2分别接通，执行自动控制程序。整体设计的梯形图（主程序）如图3-4所示。（2）手动控制程序。手动操作不需要按工序顺序动作，可以按普通继电器接触器控制系统来设计。手动控制的梯形图见图3-5.手动按钮I1.3,I1.4,I1.5,I2.0,I2.1,I2.2分别控制下降.上升.左移.右移.夹紧.放松各个动作。为了保持系统的安全运行,还设置了一些必要的联锁保护，其中，在左右移动的环节中还加入了I0.2作上限联锁，因为机械手只有处于上限位置（I0.2=1）时才允许左右移动。 由于夹紧.放松动作选用了单线圈双电磁阀控制，故在梯形图中用位置.复位指令来控制，该指令具有保持功
13、能，并且也设置了机械连锁。只有机械手处于下限（I0.1=1）时，才能进行夹紧和放松动作。(3)自动操作程序。由于自动操作的程序较复杂，不容易直接设计出梯形图，因此可以先画出自动操作流程图，用以表明动作的顺序和转换条件，然后根据所采用的控制方法，就能比较方便的设计梯形图了。机械手的自动操作流程图如图3-6所示。图中举行方框表示其自动工作循环过程中的一个“工步”，方框中用文字表示该步的编号；方框的右边画出了该步动作的执行元件；相邻两工步之间可以用有向线段连接，表明转换方向；有向线段上的小横线表示转换的条件，当转换条件得到满足时，便从上一工步转换倒下一工步。对于顺序控制，可用多种方法进行编程，用移位
14、寄存器也很容易实现这种控制功能，转换的条件由各行程开关及定时器的状态来决定。为保证运行的可靠性，来执行夹紧和放松动作时，分别用定时器T37和定时器T38作为转换的条件，并采用具有保持功能的继电器（M0.X）为夹紧电磁阀供电。其工作过程如下：机构处于原位，上限位和左限位行程开关闭合，I0.1,I0.4接通，移位寄存器首位M1.0置“1”，Q0.5输出原位显示，机构当前处于原位。按下启动按钮，I0.0接通，产生移位信号，使移位寄存器右移一位，M1.1置“1”（同时M1.0恢复为零），M1.1得电，Q0.0输出下降信号。下降至下限位，下限位开关受压，I0.1接通，移位寄存器右移一位，移位结果使M1.
15、2为“1”（其余为零），Q0.1接通，夹紧动作开始，同时T37接通，定时器开始计时。经延时（由K置设定），T37触点接通，移位寄存器又右移一位，使M1.3置“1”（其余为零）Q0.2接通，机构上升。由于M1.2为1，夹紧动作继续执行。上升至上限位，上限位开关受压，I0.2接通，寄存器再右移一位，M1.4置“1”（其余为零），Q0.3接通，机构右行。右行至右限位，I0.3接通，将寄存器中的“1”移到M1.5，Q0.0得电，机构再次下降。下降至下限位，下限位开关受压，移位寄存器又右移一位，使M1.6置“1”（其余为零），Q0.1复位，机构放松，放下搬运零件的同时接通定时器T38定时器，定时器开始计时。延时时间到，T38常开点闭合，移位寄存器移位，M1.7置“1”（其余为零），Q0.2再次得电上升。上升至上限位，上限位开关受压，I0.2闭合，寄存器右移一位，M2.0置“1”（其余为零），Q0.4置“1”机构左行。左行至原位后，左限位开关受压，I0.4接通，寄存器仍右移一位，M2.1置“1”（其余为零），一个自动循环结
