7.3機械手PLC控制系統的設計在自動化流水線中，機械手的應用比較廣泛，它是集多種工作方式于一身的典型案例。本節將以機械手自動控制為例，重點講解含多種工作方式的PLC控制系統的設計。7.3.1機械手的控制要求及功能簡介某工件搬運機械手工作示意圖，如圖7-12所示。該機械手的任務是將工件從A傳送帶搬運到B傳送帶上來(A、B傳送帶不用PLC控制)。機械手的初始狀態為原點位置，此時機械手在Zui上面和Zui右面，且夾緊裝置處于放松狀態。搬運機械手工作流程圖，如圖7-13所示。按下啟動按鈕后，從原點位置開始，機械手將執行“左行→下降→夾緊→上升→右行→下降→放松→上升”的工作流程一個周期。這些動作均由電磁閥來控制，特別的，夾緊和放松動作僅由一個電磁閥來控制，該電磁閥狀態為1表示夾緊，否則為放松狀態。左行、右行、上升、下降這些動作由限位開關來切換，夾緊、放松動作由定時器來切換，且定時時間為1s。為了滿足實際生產的需求，將機械手設有手動和自動2種工作模式，其中自動工作模式又包括單步、單周、連續和自動回原點4種方式。操作面板布置，如圖7-14所示。(1)手動工作方式利用按鈕對機械手每個動作進行單獨控制。在該工作方式中，設有6個手動按鈕，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位置開始，每按一下啟動按鈕，系統跳轉一步，完成該步任務后自動停止在該步，再按一下啟動按鈕，才開始執行下一步動作。單步工作方式常常用于系統的調試和維修。(3)單周工作方式按下啟動按鈕，機械手從原點開始，按圖7-13工作流程完成一個周期后，返回原點并停留在原點位置。(4)連續工作方式機械手在原點位置時，按下啟動按鈕，機械手從原點位置開始，將按圖7-13工作流程周期性循環動作。按下停止按鈕，機械手并不馬上停止工作，待完成Zui后一個周期工作后，系統才返回并停留在原點位置。(5)自動回原點工作方式機械手有時可能會停止在非原點位置，這時機械手無法進行自動工作方式，所以需對機械手的位置進行調整，當按下啟動按鈕時，機械手會按其回原點程序由其他位置回到原點位置。7.3.2PLC及相關元件選型機械手自動控制系統采用西門子S7-200SMART PLC.CPUST30模塊，DC供電，DC輸入，晶體管輸出型。PLC控制系統的輸入信號有17個，均為開關量。其中操作按鈕開關有8個，限位開關有4個，選擇開關有1個(占5個輸入點);PLC控制系統輸出信號有5個，各個動作由直流 24V電磁閥控制;本控制系統采用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。7.3.3硬件設計機械手控制的I/O分配，如表7-5所示。硬件設計的主回路、控制回路、PLC輸入輸出回路、操作臺開孔圖紙，如圖7-15所示。操作臺殼體可參考組合機床系統殼體圖，這里省略。7.3.4程序設計機械手控制主程序如圖7-16所示，當對應條件滿足時，系統將執行相應的子程序。子程序主要包括公共程序、手動程序、自動程序和回原點程序4.大部分。(1)公共程序機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行的任務，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條件、初始狀態、復位非初始步、復位回原點步和復位連續標志位5個部分。機械手處于Zui上面和Zui右面且夾緊裝置放松時為原點狀態，因此原點條件由上限位I0.4的常開觸點、右限位I0.3的常開觸點和表示機械手放松Q0.4常閉觸點的串聯電路組成，當串聯電路接通時，輔助繼電器M1.1變為ON。機械手在原點位置，系統處于手動、回原點或初始化狀態時，初始步M0.0都會被置位，此時為執行自動程序做好準備;若此時M1.1為OFF，則M0.0會被復位，初始步變為不活動步，即使此時按下啟動按鈕，自動程序也不會轉換到下一步，因此禁止了自動工作方式的運行。當手動、自動、回原點3種工作方式相互切換時，自動程序可能會有兩步被同時激活，為了防止誤動作，因此在手動或回原點狀態下，輔助繼電器M0.1~M1.0要被復位。在非回原點工作方式下，I2.0常閉觸點閉合，輔助繼電器M1.4~M2.0被復位。在非連續工作方式下，I1.7常閉觸點閉合，輔助繼電器M1.2被復位，系統不能執行連續程序。(2)手動程序機械手控制手動程序如圖7-18所示。當按下左行啟動按鈕(I1.0常開觸點閉合)，且上限位被壓合(I0.4常開觸點閉合)時，機械手左行;當碰到左限位時，常閉觸點I0.2斷開，Q0.0 線圈失電，左行停止。當按下右行啟動按鈕(I1.1常開觸點閉合)，且上限位被壓合(I0.4常開觸點閉合)時，機械手右行;當碰到右限位時，常閉觸點I0.3斷開，Q0.1線圈失電，右行停止。按下夾緊按鈕，I1.2變為ON，線圈Q0.4被置位，機械手夾緊。按下放松按鈕，I1.3變為ON，線圈Q0.4被復位，機械手將工件放松。當按下上升啟動按鈕(I0.6常開觸點閉合)，且左限位或右限位被壓合(I0.2或I0.3常開觸點閉合)時，機械手上升;當碰到上限位時，常閉觸點10.4斷開，Q0.2線圈失電，上升停止。當按下下降啟動按鈕(I0.7常開觸點閉合)，且左限位或右限位被壓合(I0.2或I0.3常開觸點閉合)時，機械手下降;當碰到下限位時，常閉觸點I0.5斷開，Q0.3線圈失電，下降停止。在手動程序編寫時，需要注意以下幾個方面。①為了防止方向相反的兩個動作同時被執行，手動程序設置了必要的互鎖。②為了防止機械手在Zui低位置與其他物體碰撞，在左右行電路中串聯上限位常開觸點加以限制。③只有在Zui左端或Zui右端機械手才允許上升、下降和放松，因此設置了中間環節加以限制。(3)自動程序機械手控制自動程序順序功能圖如圖7-19所示，根據工作流程的要求，顯然1個工作周期有“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后應設置分支，考慮到單周和連續的工作方式，以一條分支轉換到初始步，另一分支轉換到M0.1步。需要說明的是，在畫分支的有向連線時一定要畫在原轉換之下，即要標在M1.1(SM0.1+I1.4+I2.0)的轉換和I0.0·M1.1的轉換之下，這是繪制順序功能圖時要注意的。機械手控制自動程序如圖7-20所示。設計自動程序時，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、單周、單步3種工作方式用連續標志M1.2和轉換允許標志M1.3加以區別。在連續工作方式下，常開觸點I1.7閉合，此時處于非單步狀態，常閉觸點11.5 為ON，線圈M1.3接通，允許轉換;若原點條件滿足，在初始步為活動步時，按下啟動按鈕I0.0.線圈 M0.1得電并自鎖，程序進入左行步，線圈Q0.0接通，機械手左行;當碰到左限位開關I0.2時，程序轉換下降步M0.2，左行步M0.1停止，線圈Q0.3接通，機械手下降;當碰到下限位開關I0.5時，程序轉換到夾緊步M0.3，下降步M0.2停止;以此類推，以后系統就這樣一步一步地工作下去。需要指出的是，當機械手在步M1.0返回時，上限位I0.4狀態為1，因為先前連續標志位M1.2狀態為1，故轉換條件M1.2·I0.4滿足，系統將返回到M0.1步，反復連續地工作下去。單周與連續原理相似，不同之處在于在單周的工作方式下，連續標志條件不滿足(即線圈M1.2不得電)，當程序執行到上升步M1.0時，滿足的轉換條件為M1.2·I0.4，因此系、統將返回到初始步M0.0，機械手停止運動。在單步工作方式下，常閉觸點I1.5斷開，輔助繼電器M1.3變為OFF，不允許步與步之間的轉換。當原點條件滿足，在初始步為活動步時，按下啟動按鈕I0.0，線圈M0.1得電并自鎖，程序進入左行步;松開啟動按鈕I0.0，輔助繼電器M1.3馬上失電。在左行步，線圈 Q0.0得電，當左限位壓合時，與線圈Q0.0串聯的I0.2的常閉觸點斷開，線圈Q0.0失電，機械手停止左行。I0.2常開觸點閉合后，如不按下啟動按鈕I0.0，輔助繼電器M1.3狀態為0，程序不會跳轉到下一步，直至按下啟動按鈕，程序方可跳轉到下降步;此后在某步完成后必須按啟動按鈕一次，系統才能轉換到下一步。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跳轉兩步。若不如此，當步M1.0為活動步時，按下啟動按鈕I0.0，M0.0步與M0.1步同時被激活，這不符合單步的工作方式;此外轉換允許步中，啟動按鈕I0.0用上升沿的目的是使M1.3僅ON一個掃描周期，它使M0.0接通后，下一掃描周期處理M0.1時，M1.3已經為0，故不會使M0.1為1，只有當按下啟動按鈕I0.0時，M0.1才為1，這樣處理才符合單步的工作方式。(4)自動回原點程序機械手自動回原點程序及順序功能圖和梯形圖，如圖7-21所示。在回原點工作方式下，I2.0狀態為 1。按下啟動按鈕I0.0時，機械手可能處于任意位置，根據機械手所處的位置及夾緊裝置的狀態，可分以下幾種情況討論。①夾緊裝置放松且機械手在Zui右端:夾緊裝置處于放松且在Zui右端，所以直接上升返回原點位置即可。對應的程序為，按下啟動按鈕I0.0，條件I0.0·Q0.4·I0.3滿足，M2.0步接通。②機械手在Zui左端:機械手在Zui左端夾緊裝置可能處于放松狀態，也可能處于夾緊狀態，若處于夾緊狀態時，按下啟動按鈕I0.0，條件I0.0·I0.2滿足，因此依次執行M1.4~M2.0步程序，直至返回原點;若處于放松狀態，按下啟動按鈕I0.0，只執行M1.4~M1.5步程序，下降步M1.6以后不會執行，原因在于下降步M1.6的激活條件I0.3·Q0.4不滿足，并且當機械手碰到右限位I0.3時，M1.5步停止。③夾緊裝置夾緊且不在Zui左端:按下啟動按鈕10.0，條件I0.0.Q0.4·I0.2滿足，因此依次執行M1.6~M2.0步程序，直至回到原點。7.3.5機械手自動控制調試①編程軟件:編程軟件采用STEP 7-Micro/WIN SMART V2.0.②系統調試:將各個輸入/輸出端子和實際控制系統的按鈕、所需控制設備正確連接，完成硬件的安裝井檢查無誤后，就可以將事先編寫的梯形圖程序傳送到PI.C中進行調試。調試中，按照機械手控制的工作原理逐一校對，檢查功能是否能實現，如不能實現，找出是程序的原因，還是硬件接線的原因。經過反復試驗，Zui終調試出正確的結果。機械手自動控制調試記錄如表7-6所示，可根據調試結果填寫。7.3.6編制控制系統使用說明根據調試的Zui終結果整理出完整的技術文件，單位存檔，部分資料提供給用戶，以利于系統的維修和改進。編制的文件有硬件接線圖，PLC編程元件表和帶有文字說明的梯形圖和順序功能圖。提供給用戶的圖紙為硬件接線圖。處于技術保密考慮，一般不提供梯形圖。