摘  要：探討了如何利用德國西門子PLC S7-200進行流水線搬運機械手自動控制，重點分析了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計部分，并給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)硬件接線圖和自動操作程序流程圖等等，實踐證明，此系統(tǒng)具有高效性、精確性和適應(yīng)性。

    關(guān)鍵詞：PLC；機械手；自動控制

    Abstract: The paper introduces how to use SIEMENS PLC S7-200 to automatically control the manipulator used to carry in the production line, and emphatically analyzes the hardware and software of the system, and presents the hardware structure chart、the hardware wiring diagram and the automation procedure flow chart etc. and actually the system has efficiency、accuracy and acclimatization.

    Keywords: PLC;manipulator;automatic control

    1  引言

    機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的新型生產(chǎn)設(shè)備。近年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和工業(yè)自動化的普遍應(yīng)用，機械手的研制和開發(fā)已成為高科技領(lǐng)域迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。本文主要探討了德國西門子PLC S7-200 CPU226機型在流水線搬運機械手中的應(yīng)用，該設(shè)備用于中、小批量生產(chǎn)的柔性自動化生產(chǎn)線上，實現(xiàn)工件在流水線上的搬運。此控制系統(tǒng)已在營口紅塔集團生產(chǎn)線上得到了很好的應(yīng)用。

    2  系統(tǒng)概況

    流水線搬運機械手是集PLC技術(shù)、位置檢測技術(shù)和氣動技術(shù)于一體的綜合的控制裝置。此系統(tǒng)包括PLC控制部分、機械部分和電氣部分，機械部分采用滾珠絲桿、滑桿、旋轉(zhuǎn)基座、氣缸等等，電氣部分包括步進電機、步進電機驅(qū)動器、直流電機、傳感器、電磁閥等等。

    此系統(tǒng)工作原理如下：按下啟動按鈕后，傳送帶A運行，直到工件檢測開關(guān)檢測到工件才停止，同時機械手下降。下降到位后機械手夾緊工件，2S后開始上升，而機械手保持夾緊。上升到位后左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)到位后下降，下降到位后機械手松開，2S后機械手上升。上升到位后，傳送帶B開始運行，同時機械手右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)到位后，傳送帶B停止，此時傳送帶A運行，直到工件檢測開關(guān)再次檢測到工件才停止……，如此循環(huán)。

    為了流水線搬運機械手動作準(zhǔn)確定位，此系統(tǒng)采用了二相八拍混合式步進電機，體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。在機械手基座上還設(shè)有一個旋轉(zhuǎn)編碼盤，產(chǎn)生一個電壓為24V的方波信號，設(shè)定每旋轉(zhuǎn)3度編碼盤發(fā)出一個脈沖，可以提供給PLC的高速計數(shù)器，用于PLC的定位控制。為了系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確性，機械手安裝了上限和下限滾軸式行程開關(guān)；在基座上設(shè)有左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)電感式接近開關(guān)；由光電開關(guān)構(gòu)成的工件檢測開關(guān)負責(zé)檢測傳送帶A上的工件是否到位，到位后機械手開始動作。此外，步進電機固有的特性使它運行在某個頻率會產(chǎn)生共振，在編寫脈沖輸出時，設(shè)定的頻率值除細分?jǐn)?shù)后避免在200-250之間。

    3  系統(tǒng)硬件設(shè)計

    根據(jù)流水線搬運機械手的控制要求，考慮到I/O點數(shù)通常留有10%-15%的裕量，我們采用了德國西門子PLC S7-200 CPU226（DC/DC/DC）型號，此類型PLC具有極高的可靠性、豐富的指令集、強大的通信功能和品種豐富的擴展模塊等等。此外，很高的性能價格比也是此系統(tǒng)采用它的重要原因。本系統(tǒng)采用晶體管輸出類型PLC，它的高速脈沖輸出（PTO）功能在步進電機控制上非常的方便，它可以直接通過驅(qū)動模塊來驅(qū)動步進電機實現(xiàn)不同的旋轉(zhuǎn)要求，來控制機械手的位移和運動速度。

    PLC為此系統(tǒng)的控制核心，通過計算機編程，將程序下載到PLC中，進行現(xiàn)場工作。機械手控制系統(tǒng)的輸入信號有兩部分，一部分是手動、步進、單周期等控制面板按鈕，另一部分是光電開關(guān)、電感式接近開關(guān)和滾軸式行程開關(guān)等傳感器信號。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，通過輸入模塊，接收和采集輸入信號，經(jīng)過內(nèi)部程序執(zhí)行得到輸出信號，再通過輸出模塊刷新，去控制外部的步進電機，從而控制機械手上升下降的精確定位，同時控制直流電機帶動基座旋轉(zhuǎn)，從而控制機械手的旋轉(zhuǎn)，此外，PLC還控制氣夾的張合，從而實現(xiàn)機械手手爪動作的功能。流水線搬運機械手系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在現(xiàn)場工作期間，可通過計算機組態(tài)軟件對其動態(tài)監(jiān)控，并可及時地根據(jù)具體環(huán)境的控制要求對其進行修改和調(diào)整。

                     

    在數(shù)控系統(tǒng)中要求點位準(zhǔn)確控制時，通常用步進電機作為驅(qū)動電機，步進電機運行需要驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器的作用是把PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，從而對機械手進行預(yù)定的軌跡控制。此系統(tǒng)驅(qū)動器電流為1.5A，細分設(shè)定為8細分，信號端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻，輸入端為低電平有效。PLC與步進電機驅(qū)動器連接圖如圖2所示。


                      

    此系統(tǒng)PLC的I/O分配表如表１所示，硬件接線圖如圖3所示。

    
                   

    表1  I/O端口分配表

                    
 
    4  系統(tǒng)軟件設(shè)計

    流水線搬運機械手有手動和自動兩種操作方式。自動操作方式又分為單周期、連續(xù)和步進三種操作方式。其中連續(xù)操作是最常用的工作方式。機械手初始狀態(tài)在原點，手臂在上限位置，I0.2 閉合，旋轉(zhuǎn)基座在右限位置，I0.5閉合。當(dāng)機械手在原點時，復(fù)位按鈕不起作用。當(dāng)按下復(fù)位按鈕I0.0后，只有按下啟動按鈕I0.1，重新啟動后機械手才能運行工作。當(dāng)檢測到工件時，只有機械手在原點時才能動作，否則機械手不能動作。在運行中，若PLC掉電，機械手動作停止。重新啟動時，先用手動操作將機械手歸回原點，再按啟動按鈕，便可重新開始工作。在手動操作程序中，為了防止誤動作，加入了必要的連鎖保護部分。比如：機械手不論是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，必須處于上限位置才能執(zhí)行，所以在左轉(zhuǎn)Q0.2和右轉(zhuǎn)Q0.3的得電線路上設(shè)有上限I0.2動合觸點。此外，機械手的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)程序中還需加上互鎖部分。

    根據(jù)前面的系統(tǒng)控制要求和I/O分配表分析可得自動操作程序流程圖，如圖4所示。具體的工作過程如下：當(dāng)PLC剛運行時，初始脈沖繼電器SM0.1對系統(tǒng)進行初始復(fù)位，機械手處于上限位和右限位，順序控制繼電器S0.0置1，Q0.7得電，原點指示燈亮。按下啟動按鈕I0.1后，S0.1置1，同時S0.0置0，原點指示燈滅，Q0.5得電，傳送帶A開始運行。當(dāng)工件檢測開關(guān)I0.7檢測到工件后閉合，S0.2置1，同時S0.1置0，傳送帶A停止，Q0.0得電，步進電機得到反方向的脈沖輸出信號，機械手下降。當(dāng)碰到下限行程開關(guān)I0.3后，S0.3置1，同時S0.2置0，機械手停止下降，Q0.4置位，機械手氣夾夾緊，同時定時器T37開始計時，延時2S后，T37動合觸點接通，S0.4置1，同時S0.3置0，Q0.0和Q0.1得電，步進電機得到正方向的脈沖輸出信號，機械手上升。當(dāng)碰到上限行程開關(guān)I0.2后，S0.5置1，同時S0.4置0，機械手停止上升，Q0.2得電，機械手左轉(zhuǎn)。當(dāng)碰到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)I0.4后，S0.6置1，同時S0.5置0，機械手停止左轉(zhuǎn)，Q0.0得電，機械手下降。當(dāng)碰到下限行程開關(guān)I0.3后，S0.7置1，同時S0.6置0，機械手停止下降，Q0.4復(fù)位，機械手氣夾松開，同時定時器T38開始計時，延時2S后，T38動合觸點接通，S1.0置1，Q0.0和Q0.1得電，機械手上升。當(dāng)碰到上限行程開關(guān)I0.2后，S1.1置1，同時S1.0置0，機械手停止上升，Q0.3和Q0.6得電，機械手右轉(zhuǎn)，同時傳送帶B運行。當(dāng)碰到右限位開關(guān)I0.5后，S1.1置0，機械手停止右轉(zhuǎn)，傳送帶B停止運行。如果此時為連續(xù)操作方式，當(dāng)同時按下I1.4和I0.1后，M1.0置位，S0.1置1，循環(huán)執(zhí)行自動操作程序，若為單周期方式，按下I1.3接鈕，M1.0復(fù)位，S0.0置1，則機械手停止在原點。

    5  結(jié)束語

    流水線搬運機械手具有高效的工作效率，準(zhǔn)確的定位精度，超強的適應(yīng)能力，實現(xiàn)了機械化和自動化的有效結(jié)合。并且此系統(tǒng)通過兩年多的實際運行，體現(xiàn)了PLC控制的優(yōu)越性，生產(chǎn)效率提高35%，運行穩(wěn)定，可靠性高，維修方便，有著廣泛的應(yīng)用前景。

    參考文獻

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