s7-300控制机械手.doc

运动控制系统论文
基于S7-300PLC的多工作方式机械手控制系统
摘要：采用西门子S7-300的可编程控制器（PLC）为主控设备，应用STEP7编程软件对机械手进行顺序控制，实现机械手的多工作方式运行。文中对机械手的运行及PLC的控制电路和控制程序等做了较为详细的叙述。
关键词：机械手；多工作方式；PLC

在生产线中，通常采用机械手进行搬运工作。而为满足生产的需要，很多系统要求设置多工作方式，如手动和自动方式；自动方式又包括连续、单周期、单步、自动返回初始状态等方式。以前的机械手是采用继电器—控制器控制气压系统，其控制系统复杂，大量的接线使系统的可靠性降低，设备的工作效率下降，自动化程度不高，安全系数低，但是若采用PLC进行顺序控制，可以大大提高系统可靠性，工作效率，使之满足生产过程的要求。

1、系统工作原理
系统中操作面板、PLC、机械手三者的控制关系如图一所示。操作面板上设有机械手的五个工作方式以及手动运行时的各个单步按钮如图二所示。
图一 机械手控制框图 图二 机械手操作控制面板

图三 机械手工作示意图
机械手的五种工作方式通过单刀五掷开关来选择。
（1）手动（I0.2）
在手动工作方式下（开关旋至I2.0），可以进行6种手动控制（I0.5~I1.2）。
（2）回原点（I2.1）
可以使系统返回原点状态，为进入自动工作方式做好准备。
原点状态——即系统的初始状态，指系统等待起动命令，进入自动工作方式之前的静止状态。
此系统原点状态为：机械手在最上和最左位置，且夹紧装置为松开状态。
（3）单步(I2.2) ——用于系统的调试
在此工作方式下，从初始步开始，按一下起动按钮（I2.6），系统向下转换一步，完成该步动作后即停止，等待下次起动按钮被按下，再向下转换。
（4）单周期（I2.3）
此方式下，按下起动按钮（I2.6），从初始步开始执行一个工作周期，返回并停留在初始步。
（5）连续（I2.4）
此方式下，按下起动按钮（I2.6），从初始步开始连续执行若干个工作周期。当按下停止按钮（I2.7），也要将当前工作周期执行完，返回并停留在初始步。

机械手的动作采用气缸驱动，气缸的动作由气动电磁换向阀控制，气压驱动主要优点：气源方便，一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气；由于空气的可压缩性，气压驱动系统还具有缓冲作用；结构简单、成本低，易于保养。其动作过程如图三所示。从原点开始，经过下降、夹紧、上升、右移、下降、放松、上升、左移８个动作完成一个循环并回到原点。
2、系统程序设计（PLC的梯形图语言，SFC功能图）
2．1机械手PLC控制系统I/O接线图（如图）

机械手的控制分为手动控制和自动控制两种方式。手动控制分为手动和回原点两种操作。自动操作分为步进、单周期和自动循环操作方式，因此需要设置一个工作方式选择开关（手动、回原点、步进、单周期、自动循环），占5个输入点，手动时设置一个运动选择开关（左，右，上，下，夹，松）占6个输入点，限位开关I0.1-I0.4占4个输入点；启动按钮、停止按钮占2个输入点，共需17个输入点。输出设备有电磁铁Q4.0、Q4.1、Q4.2、Q4.3、Q4.4，共占5个输出点。还设有一个紧急停车开关。

2.2机械手控制系统编程实现
2.2.1程序的总体结构
在STEP7编程软件下建立项目“多工作方式机械手控制”，在主程序OB1中，用调用功能来实现多种工作方式切换：
FC1 无条件调用，供各种工作方式公用； FC2是手动程序、 FC4是回原点程序、 FC3自动程序包括连续、单周期和单步工作方式。
PLC进入Run模式的第一个扫描周期，调用组织块OB100 ，执行初始化程序。
2.2.2组织块OB100的初始化程序
用于识别系统是否处于原点状态并对其初始化：如果原点条件满足，则初始步被置位，为进入单步、单周期、连续等自动工作方式做好准备，如果原点条件不满足，则初始步将被复位，则三种自动工作方式将被禁止。
为方便起见，引入原点状态标识位M0.5，和初始步存储位M0.0

主程序OB1的程序结构 OB100中初始化程序梯形图

2.2.3公用程序
（1）用于自动和手动方式的相互切换
（2）当系统处于手动或回原点方式，与OB100中的处理相同，若满足原点条件，则M0.0被置位，反之被复位。
（3）系统在手动工作方式时，I2.0常开触点闭合，则通过MOVE指令将自动过程中步的存储位（M2.0~M2.7）全部复位。
（4）在非连续工作状态，则将表示连续工作的位标志M0.7复位。
2.2.4手动程序
采用经验设计法设计。手动操作时，用I0.5~I1.2对应的6个按扭控制机械手的运动（夹、松、上、下、左、右)。

公用程序梯形图 手动程序梯形图
22.5自动返回原点程序

自动返回原点SFC 自动返回原点LAD
2.2.6自动工作程序（连续周期工作，单周期工作，单步运行）

自动工作SFC图
由于自动工作程序复杂。所以在复杂系统中，将存储位控制电路与输出电路分开设计，避免出错，提高系统的可靠性。
（1） 连续周期工作、单周期工作、单步运行三种工作方式的存储位控制电路

基于起保停电路设计的连续周期工作梯形图

单周期工作方式的控制

单步工作方式的实现

（2）机械手自动工作方式输出电路梯形图

3、结束语
机械手是生产线中主要的辅助设备之一，而且经常要求其具备多工作方式的运行特点，使其满足生产过程的不同需求。用西门子S7-300PLC对其进行控制，简化了繁杂的硬件接线线路，节省了空间，降低了设备的故障率，使控制具有很强的柔性和功能的可拓展性，使设备的性能稳定，工作可靠，操作简单，调节方便，显示直观，自动保护等特点，同时PLC输出有发光二极管显示，可清楚地看出其动作过程，以判断机械手动作的正确性，有利于机械手运行的监控，便于机械手故障的诊断与排除。