7.3机械手PLC控制系统的设计

在自动化流水线中，机械手的应用比较广泛，它是集多种工作方式于一身的典型案例。本节将以机械手自动控制为例，重点讲解含多种工作方式的PLC控制系统的设计。

7.3.1机械手的控制要求及功能简介

某工件搬运机械手工作示意图，如图7-12所示。该机械手的任务是将工件从A传送带搬运到B传送带上来(A、B传送带不用PLC控制)。机械手的初始状态为原点位置，此时机械手在最上面和最右面，且夹紧装置处于放松状态。

搬运机械手工作流程图，如图7-13所示。按下启动按钮后，从原点位置开始，机械手将执行“左行→下降→夹紧→上升→右行→下降→放松→上升”的工作流程一个周期。这些动作均由电磁阀来控制，特别的，夹紧和放松动作仅由一个电磁阀来控制，该电磁阀状态为1表示夹紧，否则为放松状态。左行、右行、上升、下降这些动作由限位开关来切换，夹紧、放松动作由定时器来切换，且定时时间为1s。

为了满足实际生产的需求，将机械手设有手动和自动2种工作模式，其中自动工作模式又包括单步、单周、连续和自动回原点4种方式。操作面板布置，如图7-14所示。

(1)手动工作方式

利用按钮对机械手每个动作进行单独控制。在该工作方式中，设有6个手动按钮，分别控制左行、右行、上升、下降、夹紧和放松。

(2)单步工作方式

从原点位置开始，每按一下启动按钮，系统跳转一步，完成该步任务后自动停止在该步，再按一下启动按钮，才开始执行下一步动作。单步工作方式常常用于系统的调试和维修。

(3)单周工作方式

按下启动按钮，机械手从原点开始，按图7-13工作流程完成一个周期后，返回原点并停留在原点位置。

(4)连续工作方式

机械手在原点位置时，按下启动按钮，机械手从原点位置开始，将按图7-13工作流程周期性循环动作。按下停止按钮，机械手并不马上停止工作，待完成最后一个周期工作后，系统才返回并停留在原点位置。

(5)自动回原点工作方式

机械手有时可能会停止在非原点位置，这时机械手无法进行自动工作方式，所以需对机械手的位置进行调整，当按下启动按钮时，机械手会按其回原点程序由其他位置回到原点位置。

7.3.2PLC及相关元件选型

机械手自动控制系统采用西门子S7-200SMART PLC.CPUST30模块，DC供电，DC输入，晶体管输出型。

PLC控制系统的输入信号有17个，均为开关量。其中操作按钮开关有8个，限位开关有4个，选择开关有1个(占5个输入点);PLC控制系统输出信号有5个，各个动作由直流 24V电磁阀控制;本控制系统采用S7-200SMART PLC完全可以，且有一定裕量。元件材料清单，如表7-4所示。

7.3.3硬件设计

机械手控制的I/O分配，如表7-5所示。硬件设计的主回路、控制回路、PLC输入输出回路、操作台开孔图纸，如图7-15所示。操作台壳体可参考组合机床系统壳体图，这里省略。

7.3.4程序设计

机械手控制主程序如图7-16所示，当对应条件满足时，系统将执行相应的子程序。子程序主要包括公共程序、手动程序、自动程序和回原点程序4.大部分。

(1)公共程序

机械手控制公共程序如图7-17所示。公共程序用于处理各种工作方式都需要执行的任务，以及不同工作方式之间互相切换的处理。公共程序的编写通常要考虑原点条件、初始状态、复位非初始步、复位回原点步和复位连续标志位5个部分。

机械手处于最上面和最右面且夹紧装置放松时为原点状态，因此原点条件由上限位I0.4的常开触点、右限位I0.3的常开触点和表示机械手放松Q0.4常闭触点的串联电路组成，当串联电路接通时，辅助继电器M1.1变为ON。

机械手在原点位置，系统处于手动、回原点或初始化状态时，初始步M0.0都会被置位，此时为执行自动程序做好准备;若此时M1.1为OFF，则M0.0会被复位，初始步变为不活动步，即使此时按下启动按钮，自动程序也不会转换到下一步，因此禁止了自动工作方式的运行。

当手动、自动、回原点3种工作方式相互切换时，自动程序可能会有两步被同时激活，为了防止误动作，因此在手动或回原点状态下，辅助继电器M0.1~M1.0要被复位。

在非回原点工作方式下，I2.0常闭触点闭合，辅助继电器M1.4~M2.0被复位。

在非连续工作方式下，I1.7常闭触点闭合，辅助继电器M1.2被复位，系统不能执行连续程序。

(2)手动程序

机械手控制手动程序如图7-18所示。当按下左行启动按钮(I1.0常开触点闭合)，且上限位被压合(I0.4常开触点闭合)时，机械手左行;当碰到左限位时，常闭触点I0.2断开，Q0.0 线圈失电，左行停止。

当按下右行启动按钮(I1.1常开触点闭合)，且上限位被压合(I0.4常开触点闭合)时，机械手右行;当碰到右限位时，常闭触点I0.3断开，Q0.1线圈失电，右行停止。

按下夹紧按钮，I1.2变为ON，线圈Q0.4被置位，机械手夹紧。

按下放松按钮，I1.3变为ON，线圈Q0.4被复位，机械手将工件放松。

当按下上升启动按钮(I0.6常开触点闭合)，且左限位或右限位被压合(I0.2或I0.3常开触点闭合)时，机械手上升;当碰到上限位时，常闭触点10.4断开，Q0.2线圈失电，上升停止。

当按下下降启动按钮(I0.7常开触点闭合)，且左限位或右限位被压合(I0.2或I0.3常开触点闭合)时，机械手下降;当碰到下限位时，常闭触点I0.5断开，Q0.3线圈失电，下降停止。

在手动程序编写时，需要注意以下几个方面。

①为了防止方向相反的两个动作同时被执行，手动程序设置了必要的互锁。

②为了防止机械手在最低位置与其他物体碰撞，在左右行电路中串联上限位常开触点加以限制。

③只有在最左端或最右端机械手才允许上升、下降和放松，因此设置了中间环节加以限制。

(3)自动程序

机械手控制自动程序顺序功能图如图7-19所示，根据工作流程的要求，显然1个工作周期有“左行→下降→夹紧→上升→右行→下降→放松→上升”这8步，再加上初始步，因此共9步(从M0.0~M1.0);在M1.0后应设置分支，考虑到单周和连续的工作方式，以一条分支转换到初始步，另一分支转换到M0.1步。需要说明的是，在画分支的有向连线时一定要画在原转换之下，即要标在M1.1(SM0.1+I1.4+I2.0)的转换和I0.0·M1.1的转换之下，这是绘制顺序功能图时要注意的。

机械手控制自动程序如图7-20所示。设计自动程序时，采用启保停电路编程法，其中M0.0~M1.0为中间编程元件，连续、单周、单步3种工作方式用连续标志M1.2和转换允许标志M1.3加以区别。

在连续工作方式下，常开触点I1.7闭合，此时处于非单步状态，常闭触点11.5 为ON，线圈M1.3接通，允许转换;若原点条件满足，在初始步为活动步时，按下启动按钮I0.0.线圈 M0.1得电并自锁，程序进入左行步，线圈Q0.0接通，机械手左行;当碰到左限位开关I0.2时，程序转换下降步M0.2，左行步M0.1停止，线圈Q0.3接通，机械手下降;当碰到下限位开关I0.5时，程序转换到夹紧步M0.3，下降步M0.2停止;以此类推，以后系统就这样一步一步地工作下去。需要指出的是，当机械手在步M1.0返回时，上限位I0.4状态为1，因为先前连续标志位M1.2状态为1，故转换条件M1.2·I0.4满足，系统将返回到M0.1步，反复连续地工作下去。

单周与连续原理相似，不同之处在于在单周的工作方式下，连续标志条件不满足(即线圈M1.2不得电)，当程序执行到上升步M1.0时，满足的转换条件为M1.2·I0.4，因此系、统将返回到初始步M0.0，机械手停止运动。

在单步工作方式下，常闭触点I1.5断开，辅助继电器M1.3变为OFF，不允许步与步之间的转换。当原点条件满足，在初始步为活动步时，按下启动按钮I0.0，线圈M0.1得电并自锁，程序进入左行步;松开启动按钮I0.0，辅助继电器M1.3马上失电。在左行步，线圈 Q0.0得电，当左限位压合时，与线圈Q0.0串联的I0.2的常闭触点断开，线圈Q0.0失电，机械手停止左行。I0.2常开触点闭合后，如不按下启动按钮I0.0，辅助继电器M1.3状态为0，程序不会跳转到下一步，直至按下启动按钮，程序方可跳转到下降步;此后在某步完成后必须按启动按钮一次，系统才能转换到下一步。

需要指出的是，M0.0的启保停电路放在M0.1启保停电路之后的目的是，防止在单步方式下程序连续跳转两步。若不如此，当步M1.0为活动步时，按下启动按钮I0.0，M0.0步与M0.1步同时被激活，这不符合单步的工作方式;此外转换允许步中，启动按钮I0.0用上升沿的目的是使M1.3仅ON一个扫描周期，它使M0.0接通后，下一扫描周期处理M0.1时，M1.3已经为0，故不会使M0.1为1，只有当按下启动按钮I0.0时，M0.1才为1，这样处理才符合单步的工作方式。

(4)自动回原点程序

机械手自动回原点程序及顺序功能图和梯形图，如图7-21所示。在回原点工作方式下，I2.0状态为 1。按下启动按钮I0.0时，机械手可能处于任意位置，根据机械手所处的位置及夹紧装置的状态，可分以下几种情况讨论。

①夹紧装置放松且机械手在最右端:夹紧装置处于放松且在最右端，所以直接上升返回原点位置即可。对应的程序为，按下启动按钮I0.0，条件I0.0·Q0.4·I0.3满足，M2.0步接通。

②机械手在最左端:机械手在最左端夹紧装置可能处于放松状态，也可能处于夹紧状态，若处于夹紧状态时，按下启动按钮I0.0，条件I0.0·I0.2满足，因此依次执行M1.4~M2.0步程序，直至返回原点;若处于放松状态，按下启动按钮I0.0，只执行M1.4~M1.5步程序，下降步M1.6以后不会执行，原因在于下降步M1.6的激活条件I0.3·Q0.4不满足，并且当机械手碰到右限位I0.3时，M1.5步停止。

③夹紧装置夹紧且不在最左端:按下启动按钮10.0，条件I0.0.Q0.4·I0.2满足，因此依次执行M1.6~M2.0步程序，直至回到原点。

7.3.5机械手自动控制调试

①编程软件:编程软件采用STEP 7-Micro/WIN SMART V2.0.

②系统调试:将各个输入/输出端子和实际控制系统的按钮、所需控制设备正确连接，

完成硬件的安装井检查无误后，就可以将事先编写的梯形图程序传送到PI.C中进行调试。

调试中，按照机械手控制的工作原理逐一校对，检查功能是否能实现，如不能实现，找出是程序的原因，还是硬件接线的原因。经过反复试验，最终调试出正确的结果。机械手自动控制调试记录如表7-6所示，可根据调试结果填写。

7.3.6编制控制系统使用说明

根据调试的最终结果整理出完整的技术文件，单位存档，部分资料提供给用户，以利于系统的维修和改进。

编制的文件有硬件接线图，PLC编程元件表和带有文字说明的梯形图和顺序功能图。

提供给用户的图纸为硬件接线图。处于技术保密考虑，一般不提供梯形图。

参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献参考文献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