1引言11課程提出與研究意義隨著工業(yè)生產自動化規(guī)模的擴大，生產過程日趨復雜。生產工況也有趨于惡劣的態(tài)勢，這對一線工人的操作技能也提出了更高的要求，同時操作工人的工作安全也受到了相應的威脅。在自動化生產領域中，工業(yè)機械手是近幾年發(fā)展起來的。工業(yè)機械手的是從工業(yè)機器人中分支出來的。其特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)具有準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。借助PLC強大的工業(yè)處理能力，很容易實現(xiàn)工業(yè)生產的自動化?；诖怂悸吩O計的機械手，在實現(xiàn)各種要求的供需前提下，大大提高了工業(yè)過程的質量，而且大大解放了生產力，改善了工作環(huán)境，減輕了勞動強度，節(jié)約了成本，提高了生產效率，具有十分重要的意義。同時，借助組態(tài)軟件的輔助作用，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。12工業(yè)機械手發(fā)展現(xiàn)狀機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。機械手由執(zhí)行機構、驅動傳動機構、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、遠程診斷監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成。驅動傳動機構與執(zhí)行機構是相輔相成的，在驅動系統(tǒng)中可以分機械式、電氣式、液壓式和復合式，其中液壓操作力最大。簡易機械手在各類全自動和半自動化生產線上應用的十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動，代替人工作業(yè)，實現(xiàn)生產自動化。本設計中的機械手采用上下升降夾緊放松結構，各動作由PLC控制相關電機和液壓執(zhí)行元件完成。能十分方便的嵌入到各類生產工業(yè)生產線中。日益復雜的工業(yè)過程促進了機械手在工業(yè)生產中的應用。對相應的控制精度、控制穩(wěn)定性也提出了更高的要求。其現(xiàn)狀是在性能不斷提高的同時，單機價格不斷下降。機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。器件集成度、系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護性提高。伴隨科學技術的不斷進步，機器人與工業(yè)自動化技術的迅猛發(fā)展，尤其是移動機械手系統(tǒng)的不斷進步，為危險品的安全處理提供了新的思路。13本設計的主要工作針對工業(yè)現(xiàn)場的控制要求，本文將詳細介紹以可編程控制器為處理單元的機械手過程控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。首先，對機械手的工作原理以及動作過程的闡述。其次對機械手的控制要求、操作方式和控制面板的設計。最后對機械手整體程序的設計，包括PLC輸入輸出點的分配，確立系統(tǒng)軟件的整體框架，各個操作方式的程序，最后對系統(tǒng)設計進行總結。2機械手工作原理21機械手動作原理及示意圖如圖21中，機械手的所有動作均是采用點動控制、液壓驅動。它的上升/下降和左移/右移均采用雙線圈三位電磁閥推動液壓缸完成。當某個電磁閥線圈通電，就一直保持當前的機械動作，直到相反動作的線圈通電為止。例如當下降電磁閥線圈通電后，機械手下降，即使線圈再斷電，仍保持當前的下降動作狀態(tài)，直到上升電磁閥線圈通電為止。機械手的夾緊/放松采用單線圈二位電磁閥推動液壓缸完成，線圈通電時執(zhí)行夾緊工作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。為了使動作準確，機械手上安裝了限位開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分別對機械手進行下降、上升、右行、左行等動作的限位，并給出了動作到位的信號。另外，還安裝了光電開關SP，負責監(jiān)測工作臺B上的工件是否已經移走，從而產生無工件信號，為下一個工件的下放做好準備。圖21機械手工作示意圖22機械手動作過程機械手的動作過程如圖22所示。從原點開始按下啟動按鈕時,下降電磁閥通電,機械手開始下降。下降到底時,碰到下限位開關,下降電磁閥斷電,下降停止同時接通夾緊電磁閥,機械手夾緊,夾緊后,上升電磁閥開始通電,機械手上升上升到頂時,碰到上限位開關,上升電磁閥斷電,上升停止同時接通右移電磁閥,機械手右移,右移到位時,碰到右移極限位開關,右移電磁閥斷電,右移停止。此時,右工作臺上無工作,則光電開關接通,下降電磁閥接通,機械手下降。下降到底時碰到下限位開關下降電磁閥斷電,下降停止同時夾緊電磁閥斷電,機械手放松,放松后,上升電磁閥通電,機械手上升,上升到極限時碰到極限位開關,上升電磁閥斷電,上升停止同時接通左移電磁閥,機械手左移左移到原點時,碰到左極限開關,左移電磁閥斷電,左移停止。至此,機械手經過八步動作完成一個循環(huán)。圖22機械手的動作過程圖23控制要求工作臺A、B上工件的傳送不用PLC控制；機械手要求按一定的順序動作，其流程圖如圖23所示。圖23控制系統(tǒng)流程圖啟動時，機械手從原點開始按順序動作；停止時，機械手停止在現(xiàn)行工步上；重新啟動時，機械手按停止前的動作繼續(xù)進行。24機械手操作方式為滿足生產要求，機械手設置手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周和連續(xù)工作方式。手動工作方式利用按鈕對機械手每一步動作單獨進行控制，例如當選擇上下運動時，按下啟動按鈕，機械上升；按下停止按鈕，機械手下降。當選擇左右運動時，按下啟動按鈕，機械手左移；按下停止按鈕，機械手右移。當選擇夾緊放松運動時，按下啟動按鈕，機械手夾緊；按下停止按鈕，機械手放松。單步工作方式從原點開始，按自動工作循環(huán)的工序，每按一下啟動按鈕，機械手完成一部的動作后自動停止。單周期工作方式機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手自動完成一個周期的動作后停止。在工作中若按一下停止按鈕，則機械手動作停止。重新啟動時需用手動操作方式將機械手移回到原點，然后按一下啟動按鈕，機械手又開始重新單周期操作。連續(xù)工作方式機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手將自動地、連續(xù)地周期性循環(huán)。在工作中若按一下停止按鈕，則機械手停止工作。重新啟動時，必須用手動操作將機械手移回到原點，然后按下啟動按鈕，機械手又開始重新連續(xù)工作。在工作中若按下復位按鈕，則機械手將繼續(xù)完成一個周期的動作后，回到原點自動停止。25操作面板布置根據控制要求，需安排一定的操作開關，并設計控制箱面板布置如圖24所示。圖24操作面板布置圖圖中，接通I07是手動操作模式。手動操作時，按加載選擇開關的位置，用啟動/停止按鈕選擇加在操作，當加載選擇開關打到左/右位置時，按下啟動行行按鈕，機械手右行；若按下停止按鈕，機械手左行。用上述操作可使機械手停在原點。接通I10是單步方式。機械手在原點時，按下啟動按鈕，向前操作一步；每按啟動按鈕一次操作一步。接通I11是單周期操作方式。機械手在原點時自動操作一個周期。接通I12是連續(xù)操作方式。機械手在原點時，按下啟動按鈕，連續(xù)執(zhí)行自動周期操作，當按下停止按鈕，機械手完成此周期后自動回到原點并不再動作。3PLC選型及輸入/輸出端子地址分配根據控制要求，該機械手控制系統(tǒng)所采用的可編程控制器是德國西門子公司生產的S7200CPU224。圖31是S7200CPU224輸入/輸出端子地址分配。該機械手控制系統(tǒng)共使用了14個輸入量，6個輸出量。圖31輸入/輸出端子地址分配4PLCI/O地址、內部輔助繼電器分配表根據控制系統(tǒng)外部接線圖，PLCI/O地址分配見表41。表41外部I/O繼電器分配表5PLC的程序設計51程序整體結構序號符號功能描述序號符號功能描述1I00啟動11I12連續(xù)2I01下限12I13左與右3I02上線13I14上與下4I03右限14I15夾與松5I04左限15Q00下降6I05無工件檢測16Q01上升7I05停止17Q02夾緊8I07單操作18Q03右行9I10步進19Q04左行10I11單周20Q05原位顯示為了在程序中安排機械手控制系統(tǒng)單操作、步進操作、自動操作等功能程序，先規(guī)劃整體程序結構如圖51所示。圖51整體程序結構圖如圖51，若選擇單操作工作方式，I07斷開，接著執(zhí)行但操作程序。但操作程序獨立于自動操作程序，可另行設計。在單周期工作方式和連續(xù)操作方式下，可執(zhí)行自動操作程序。在步進操作方式，執(zhí)行不僅操作程序，按一下啟動按鈕執(zhí)行一個動作，并按規(guī)定順序進行。在需要自動操作方式，中間繼電器M10接通。步進工作方式、單操作工作方式和自動操作方式，都用同樣的輸出繼電器。有了整體程序結構后，再針對各功能編制各分段程序。52實現(xiàn)單操作動作的程序圖52是實現(xiàn)單操作工作的梯形圖程序，表51是單操作指令表。為避免發(fā)生誤動作，插入了一些聯(lián)鎖電路。例如，將加載開關扳倒“左/右”擋，按下啟動按鈕，才能執(zhí)行（即為安全起見，設上限安全聯(lián)鎖保護）。圖52單操作梯形圖表51單操作指令表地址指令數據地址指令數據地址指令數據1LDI139ANQ0317LDI142AI0210Q0418AI003LPS11LDI1519ANQ014AI0012AI0020Q005ANQ0413SQ02,121LDI146Q0314LDI1522AI067LPP15AI0623ANQ008AI0616RQ02,124Q01將加載選擇開關扳到“夾/松”擋，按啟動按鈕，執(zhí)行夾緊動作；按停止按鈕，則松開。將加載選擇開關扳到“上/下”擋，按啟動按鈕，下降；按停止按鈕，上升。53自動操作程序圖53是機械手自動操作流程圖，圖54是與之對應的梯形圖。PLC由STOP轉為RUN時，初始脈沖SM10對狀態(tài)進行初始復位。當機械手在原點時，將狀態(tài)S00置1,這是第一步。按下啟動按鈕后，置位狀態(tài)S01，同時將原工作狀態(tài)S00清零，數出繼電器Q00得電，Q05復位，原點指示燈熄滅，執(zhí)行下降動作。當下降到底碰到下限位開關時，I01接通，狀態(tài)轉移到S02,同時將狀態(tài)S01清零，輸出繼電器Q00復位，Q02置1，于是機械手停止下降，執(zhí)行夾緊動作；定時器T37開始計時，延時17S后，接通T37常開觸點將狀態(tài)S03置1，同時將工作狀態(tài)S02清零。而數出繼電器Q01得電，執(zhí)行上升動作。由于Q02已被置1，加緊動作繼續(xù)執(zhí)行。當上升到上限位時，I02接通，狀態(tài)轉移到S04,同時將狀態(tài)S03清零，Q01失電，不再上升，而Q03得電，執(zhí)行右行動作。當右行執(zhí)行到右限位時，I03接通，Q03失電，機械手停止右行，若此時I05接通，則狀態(tài)轉移到S05,同時將狀態(tài)S04清零，而Q00再次得電，執(zhí)行下降動作。當下降到底碰到下限位開關時，I01接通，狀態(tài)轉移到S06，同時將狀態(tài)S05清零，數出繼電器Q00復位，Q02被復位，于是機械手停止下降，執(zhí)行松開動作；定時器T38開始計時，延時15S后，接通T38常開觸點將狀態(tài)S07置1，透光石將工作狀態(tài)S06清零，而數出繼電器Q01再次得電，執(zhí)行上升動作。行至上限位置，I02接通，狀態(tài)轉移到S10，同時將狀態(tài)S07清零，Q01失電，停止上升，而Q04得電，執(zhí)行左行動作。到達左限位，I04接通，將狀態(tài)S10清零。如果此時為連續(xù)工作狀態(tài)，M10置1,即狀態(tài)轉移回到S01，重復執(zhí)行自動程序。若為單周期操作方式，狀態(tài)轉移到S00,則機械手停在原點。在運行中，如按停止按鈕，機械手的動作執(zhí)行完當前一個周期后，回到原點自動停止。在運行中，PLC若掉電，機械手動作停止。重新啟動時，先用手動操作將機械手移回原點，再按啟動按鈕，又重新開始自動操作。步進動作是按下啟動按鈕動作一次。步進動作狀態(tài)轉移圖與圖53相似，只是每步動作都需增加一個啟動按鈕，如圖55所示。步進操作所用的輸出繼電器、定時器與其他操作所用的輸出繼電器、定時器相同。圖53自操作流程圖圖54自動操作梯形圖表52自動操作指令表地址指令數據地址指令數據地址指令數據1LDSM0126LDSM0051SCRE2MOVW0,SW027M2252LSCRS073LDI0228LDI0253LDSM004A29SCRTS0454M235SS00,130SCRE55LDI026LSCRS0031LSCRS0456SCRTS107LDSM0032LDSM0057SCRE8Q0533AN58LSCRS109LDI0034Q0359LDSM0010SCRTS0135LDI0360I0311SCRE36AI0561LDSM0012LSCRS0137SCRTS0562AM1013LDS38SCRE63SCRTS0114M2039LSCRS0564LDI0415LDI0140LDSM0065ANM1016SCRTS0241M2166SCRTS0017SCRE42LDI0167SCRE18LSCRS0243SCRTS0668LDM2119LDSM0044SCRE69OM2120SQ02,145LSCRS0670Q0021TONT37,1746LDSM0071LDM2222LDT3747RQ02,172OM2323SCRTS0348TONT38,1573Q0124SCRE49LDT3825LSCRS0350SCRTS07圖55步進操作流程圖結論相對而言此機械手的設計難度雖然不是非常大，但它在當代工業(yè)中的作用可是非常大的，機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力都是無與倫比的。該機械手在改用PLC控制以前，采用傳統(tǒng)的繼電器控制，其控制線路復雜，繼電器多；采用本程序控制之后，控制線路簡單化，省去了全部繼電器，安裝十分方便，并且保證了系統(tǒng)運行的可靠性，減少了維修量，提高了工效，社會經濟效益得到明顯提高。致謝光陰似箭，畢業(yè)設計也圓滿完成，三年的大學學習也將畫上圓滿的句號。首先，向三年來辛勤培養(yǎng)、教育和關心支持過我的恩師們表示最誠摯的敬意和感謝。同時也非常感謝母校給了我這次知識匯報的機會，因為在這次的設計過程中我們細致地把三年來的所學又一次的加深理解，并靈活運用到畢業(yè)設計中。為今后走上社會奠定了基礎。其次，我更加感謝的是我們的指導老師王文堂老師，以及教授我專業(yè)課的各位老師，本次設計從開始的選題，設計任務和目的確定，尋找相關材料，到系統(tǒng)的總體設計及論文的寫作，都一直得到了王老師的耐心指導和幫助，從中提出了許多寶貴的意見和建議，幫助解決了不少難題，