PART?01

機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化流水線中，機(jī)械手的應(yīng)用比較廣泛，它是集多種工作方式于一身的典型案例。本節(jié)將以機(jī)械手自動(dòng)控制為例，重點(diǎn)講解含多種工作方式的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

PART?02 機(jī)械手的控制要求及功能簡(jiǎn)介

某工件搬運(yùn)機(jī)械手工作示意圖，如圖7-12所示。該機(jī)械手的任務(wù)是將工件從A傳送帶搬運(yùn)到B傳送帶上來(A、B傳送帶不用PLC控制)。機(jī)械手的初始狀態(tài)為原點(diǎn)位置，此時(shí)機(jī)械手在最上面和最右面，且夾緊裝置處于放松狀態(tài)。

搬運(yùn)機(jī)械手工作流程圖，如圖7-13所示。按下啟動(dòng)按鈕后，從原點(diǎn)位置開始，機(jī)械手將執(zhí)行“左行→下降→夾緊→上升→右行→下降→放松→上升”的工作流程一個(gè)周期。這些動(dòng)作均由電磁閥來控制，特別的，夾緊和放松動(dòng)作僅由一個(gè)電磁閥來控制，該電磁閥狀態(tài)為1表示夾緊，否則為放松狀態(tài)。左行、右行、上升、下降這些動(dòng)作由限位開關(guān)來切換，夾緊、放松動(dòng)作由定時(shí)器來切換，且定時(shí)時(shí)間為ls。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，將機(jī)械手設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)2種工作模式，其中自動(dòng)工作模式又包括單步、單周、連續(xù)和自動(dòng)回原點(diǎn)4種方式。操作面板布置，如圖7-14所示。

(1)手動(dòng)工作方式

利用按鈕對(duì)機(jī)械手每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)控制。在該工作方式中，設(shè)有6個(gè)手動(dòng)按鈕，分別控制左行、右行、上升、下降、夾緊和放松。

(2)單步工作方式

從原點(diǎn)位置開始，每按一下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)一步，完成該步任務(wù)后自動(dòng)停止在該步，再按一下啟動(dòng)按鈕，才開始執(zhí)行下一步動(dòng)作。單步工作方式常常用于系統(tǒng)的調(diào)試和維修。

(3)單周工作方式

按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按圖7-13工作流程完成一個(gè)周期后，返回原點(diǎn)并停留在原點(diǎn)位置。

(4)連續(xù)工作方式

機(jī)械手在原點(diǎn)位置時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手從原點(diǎn)位置開始，將按圖7-13工作流程周期性循環(huán)動(dòng)作。按下停止按鈕，機(jī)械手并不馬上停止工作，待完成最后一個(gè)周期工作后，系統(tǒng)才返回并停留在原點(diǎn)位置。

(5)自動(dòng)回原點(diǎn)工作方式

機(jī)械手有時(shí)可能會(huì)停止在非原點(diǎn)位置，這時(shí)機(jī)械手無法進(jìn)行自動(dòng)工作方式，所以需對(duì)機(jī)

械手的位置進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，機(jī)械手會(huì)按其回原點(diǎn)程序由其他位置回到原點(diǎn)位置。

PART?03 PLC及相關(guān)元件選型

機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子S7-200SMART PLC，CPUST30模塊，DC供電，DC

輸入，晶體管輸出型。

PLC控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)有17個(gè)，均為開關(guān)量。其中操作按鈕開關(guān)有8個(gè)，限位開關(guān)有4個(gè)，選擇開關(guān)有1個(gè)(占5個(gè)輸入點(diǎn));PLC控制系統(tǒng)輸出信號(hào)有5個(gè)，各個(gè)動(dòng)作由直流24V電磁閥控制;本控制系統(tǒng)采用S7-200SMART PLC完全可以，且有一定裕量。

元件材料清單

如表7-4所示

PART?04 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制的I/O分配，如表7-5所示。硬件設(shè)計(jì)的主回路、控制回路、PLC輸入輸出

回路、操作臺(tái)開孔圖紙，如圖7-15所示。操作臺(tái)殼體可參考組合機(jī)床系統(tǒng)殼體圖，這里省略。

a

b

c

d

e

f

重點(diǎn)提示:給出元件明細(xì)表。為現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供方便。在工程中，有些設(shè)計(jì)給出來的文字符號(hào)不通用，因此編寫元件明姻表加以說明是必要的。

g

給出元件明細(xì)表。為現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供方便。在工程中，有些設(shè)計(jì)給出來的文字符號(hào)不通用，因此編寫元件明姻表加以說明是必要的

PART?05 程序設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制主程序如圖7-16所示，當(dāng)對(duì)應(yīng)條件滿足時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行相應(yīng)的子程序。子程序主要包括公共程序、手動(dòng)程序、自動(dòng)程序和回原點(diǎn)程序4大部分。

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(1)公共程序

機(jī)械手控制公共程序如圖7-17所示。公共程序用于處理各種工作方式都需要執(zhí)行的任務(wù)，以及不同工作方式之間互相切換的處理。公共程序的編寫通常要考慮原點(diǎn)條件、初始狀態(tài)、復(fù)位非初始步、復(fù)位回原點(diǎn)步和復(fù)位連續(xù)標(biāo)志位5個(gè)部分。機(jī)械手處于最上面和最右面且夾緊裝置放松時(shí)為原點(diǎn)狀態(tài)，因此原點(diǎn)條件由上限位10.4的常開觸點(diǎn)、右限位I0.3的常開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手放松Q0.4常閉觸點(diǎn)的串聯(lián)電路組成，當(dāng)串聯(lián)電路接通時(shí)，輔助繼電器M1.1變?yōu)镺N。機(jī)械手在原點(diǎn)位置，系統(tǒng)處于手動(dòng)、回原點(diǎn)或初始化狀態(tài)時(shí)，初始步M0.0都會(huì)被置位，此時(shí)為執(zhí)行自動(dòng)程序做好準(zhǔn)備;若此時(shí)M1.1為OFF，則M0.0會(huì)被復(fù)位，初始步變?yōu)椴换顒?dòng)步，即使此時(shí)按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)程序也不會(huì)轉(zhuǎn)換到下一步，因此禁止了自動(dòng)工作方式的運(yùn)行。

當(dāng)手動(dòng)、自動(dòng)、回原點(diǎn)3種工作方式相互切換時(shí)，自動(dòng)程序可能會(huì)有兩步被同時(shí)激活，為了防止誤動(dòng)作，因此在手動(dòng)或回原點(diǎn)狀態(tài)下，輔助繼電器M0.1~M1.0要被復(fù)位。在非回原點(diǎn)工作方式下，12.0常閉觸點(diǎn)閉合，輔助繼電器M1.4~M2.0被復(fù)位。在非連續(xù)工作方式下，11.7常閉觸點(diǎn)閉合，輔助繼電器M1.2被復(fù)位，系統(tǒng)不能執(zhí)行連續(xù)程序。

(2)手動(dòng)程序

機(jī)械手控制手動(dòng)程序如圖7-18所示。當(dāng)按下左行啟動(dòng)按鈕(I1.0常開觸點(diǎn)閉合)，且上

限位被壓合(I0.4常開觸點(diǎn)閉合)時(shí)，機(jī)械手左行;當(dāng)碰到左限位時(shí)，常閉觸點(diǎn)I0.2斷開，

Q0.0線圈失電，左行停止。

當(dāng)按下右行啟動(dòng)按鈕(11.1常開觸點(diǎn)閉合)，且上限位被壓合(I0.4常開觸點(diǎn)閉合)

時(shí)，機(jī)械手右行;當(dāng)碰到右限位時(shí)，常閉觸點(diǎn)I0.3斷開，Q0.1線圈失電，右行停止。

按下夾緊按鈕，I1.2變?yōu)镺N，線圈Q0.4被置位，機(jī)械手夾緊。

按下放松按鈕，I1.3變?yōu)镺N，線圈Q0.4被復(fù)位，機(jī)械手將工件放松。

當(dāng)按下上升啟動(dòng)按鈕(I0.6常開觸點(diǎn)閉合)，且左限位或右限位被壓合(I0.2或I0.3常開觸點(diǎn)閉合)時(shí)，機(jī)械手上升;當(dāng)碰到上限位時(shí)，常閉觸點(diǎn)I0.4斷開，Q0.2線圈失電，上升停止。當(dāng)按下下降啟動(dòng)按鈕(I0.7常開觸點(diǎn)閉合)，且左限位或右限位被壓合(I0.2或10.3常開觸點(diǎn)閉合)時(shí)，機(jī)械手下降;當(dāng)碰到下限位時(shí)，常閉觸點(diǎn)I0.5斷開，Q0.3線圈失電，下降停止。

在手動(dòng)程序編寫時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面。

①為了防止方向相反的兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)被執(zhí)行，手動(dòng)程序設(shè)置了必要的互鎖。

②為了防止機(jī)械手在最低位置與其他物體碰撞，在左右行電路中串聯(lián)上限位常開觸點(diǎn)加以限制。只有在最左端或最右端機(jī)械手才允許上升、下降和放松，因此設(shè)置了中間環(huán)節(jié)加以限制。

(3)自動(dòng)程序

機(jī)械手控制自動(dòng)程序順序功能圖如圖7-19所示，根據(jù)工作流程的要求，顯然1個(gè)工作周期有“左行→下降→夾緊→上升→右行→下降→放松→上升”這8步，再加上初始步，因此共9步(從M0.0~M1.0);在M1.0后應(yīng)設(shè)置分支，考慮到單周和連續(xù)的工作方式，以一條分支轉(zhuǎn)換到初始步，另一分支轉(zhuǎn)換到M0.1步。需要說明的是，在畫分支的有向連線時(shí)一定要畫在原轉(zhuǎn)換之下，即要標(biāo)在M1.1(SM0.1+I1.4+I2.0)的轉(zhuǎn)換和I0.0·M1.1的轉(zhuǎn)換之下，這是繪制順序功能圖時(shí)要注意的。

自動(dòng)程序時(shí)，采用啟保停電路編程法，其中M0.0~M1.0為中間編程元件，連續(xù)、單周、單步3種工作方式用連續(xù)標(biāo)志M1.2和轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志M1.3加以區(qū)別。

在連續(xù)工作方式下，常開觸點(diǎn)I1.7閉合，此時(shí)處于非單步狀態(tài)，常閉觸點(diǎn)I1.5為ON，線圈M1.3接通，允許轉(zhuǎn)換;若原點(diǎn)條件滿足，在初始步為活動(dòng)步時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕I0.0，線圈M0.1得電并自鎖，程序進(jìn)入左行步，線圈Q0.0接通，機(jī)械手左行;當(dāng)碰到左限位開關(guān)I0.2時(shí)，程序轉(zhuǎn)換下降步M0.2，左行步M0.1停止，線圈Q0.3接通，機(jī)械手下降;當(dāng)碰到下限位開關(guān)I0.5時(shí)，程序轉(zhuǎn)換到夾緊步M0.3，下降步M0.2停止;以此類推，以后系統(tǒng)就這樣一步一步地工作下去。需要指出的是，當(dāng)機(jī)械手在步M1.0返回時(shí)，上限位I0.4狀態(tài)為1，因?yàn)橄惹斑B續(xù)標(biāo)志位M1.2狀態(tài)為1，故轉(zhuǎn)換條件M1.2·I0.4滿足，系統(tǒng)將返回到M0.1步，反復(fù)連續(xù)地工作下去。

單周與連續(xù)原理相似，不同之處在于在單周的工作方式下，連續(xù)標(biāo)志條件不滿足(即線圈M1.2不得電)，當(dāng)程序執(zhí)行到上升步M1.0時(shí)，滿足的轉(zhuǎn)換條件為M1.2·I0.4，因此系統(tǒng)將返回到初始步M0.0，機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)。在單步工作方式下，常閉觸點(diǎn)I1.5斷開，輔助繼電器M1.3變?yōu)镺FF，不允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)原點(diǎn)條件滿足，在初始步為活動(dòng)步時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕I0.0，線圈M0.1得電并自鎖，程序進(jìn)入左行步;松開啟動(dòng)按鈕I0.0，輔助繼電器M1.3馬上失電。在左行步，線圈Q0.0得電，當(dāng)左限位壓合時(shí)，與線圈Q0.0串聯(lián)的I0.2的常閉觸點(diǎn)斷開，線圈Q0.0失電，機(jī)械手停止左行。I0.2常開觸點(diǎn)閉合后，如不按下啟動(dòng)按鈕I0.0，輔助繼電器M1.3狀態(tài)為0，程序不會(huì)跳轉(zhuǎn)到下一步，直至按下啟動(dòng)按鈕，程序方可跳轉(zhuǎn)到下降步;此后在某步完成后必須按啟動(dòng)按鈕一次，系統(tǒng)才能轉(zhuǎn)換到下一步。

需要指出的是，M0.0的啟保停電路放在M0.1啟保停電路之后的目的是，防止在單步方式下程序連續(xù)跳轉(zhuǎn)兩步。若不如此，當(dāng)步M1.0為活動(dòng)步時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕I0.0，M0.0步與M0.1步同時(shí)被激活，這不符合單步的工作方式;此外轉(zhuǎn)換允許步中，啟動(dòng)按鈕I0.0用上升沿的目的是使M1.3僅ON一個(gè)掃描周期，它使M0.0接通后，下一掃描周期處理M0.1時(shí)，M1.3已經(jīng)為0，故不會(huì)使M0.1為1，只有當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕I0.0時(shí)，M0.1才為1，這樣處理才符合單步的工作方式。

(4)自動(dòng)回原點(diǎn)程序

機(jī)械手自動(dòng)回原點(diǎn)程序及順序功能圖和梯形圖，如圖7-21所示。在回原點(diǎn)工作方式下，I2.0狀態(tài)為1。按下啟動(dòng)按鈕I0.0時(shí)，機(jī)械手可能處于任意位置，根據(jù)機(jī)械手所處的位置及夾緊裝置的狀態(tài)，可分以下幾種情況討論。

1.夾緊裝置放松且機(jī)械手在最右端:夾緊裝置處于放松且在最右端，所以直接上升返回原點(diǎn)位置即可。對(duì)應(yīng)的程序?yàn)?，按下啟?dòng)按鈕I0.0，條件I0.0.Q0.4·10.3滿足，M2.0步接通。

2.機(jī)械手在最左端:機(jī)械手在最左端夾緊裝置可能處于放松狀態(tài)，也可能處于夾緊狀態(tài)。若處于夾緊狀態(tài)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕I0.0，條件I0.0.10.2滿足，因此依次執(zhí)行M1.4~M2.0步程序，直至返回原點(diǎn);若處于放松狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕I0.0，只執(zhí)行M1.4~M1.5步程序，下降步M1.6以后不會(huì)執(zhí)行，原因在于下降步M1.6的激活條件10.3.Q0.4不滿足，并且當(dāng)機(jī)械手碰到右限位I0.3時(shí)，M1.5步停止。

3.夾緊裝置夾緊且不在最左端:按下啟動(dòng)按鈕I0.0，條件I0.0.Q0.4·I0.2滿足，因此依次執(zhí)行M1.6~M2.0步程序，直至回到原點(diǎn)。

審核編輯：黃飛

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