1、基于PLC的搬运机械手控制系统设计王兆安2022-11-14摘 要n 本课题针对完成空调压缩机曲轴在两条生产线之间搬运任务的搬运机械手控制系统进行设计。采用西门子公司的SIMATIC S7-200系列PLC作为核心控制器，外扩充定位模块EM253模块对伺服电机进行精确的定位控制，从硬件与软件两个方面进行设计，完成了PLC在搬运机械手中硬件连接，I/O点分配与应用程序的设计，实现了机械手的上电初始化、零点复位、故障报警、手动运行、半自动运行与在无人看守时的自动运行。最后完成系统控制，实现搬运任务。1 绪论n 1.1 引言n 机械手是能模仿人手与臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作
2、工具的自动操作装置。n 机械手的种类，按驱动方式可分为机械式、气动式、电动式、液压式机械手；按适用范围可分为专用机械手与通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制与连续轨迹控制机械手等。n 本课题介绍了一种精确控制机械手的方法，以西门子公司的S7-200系列PLC作为机械手的主控制器，外接控制面板以实现对3自由度机械手控制的功能，实现一个精确的自动控制系统。2022-11-14n 1.2 工业机械手的发展n 机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作
3、业，因此获得日益广泛的应用。n 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。2022-11-14n 1.3 机械手的应用意义n（1）可以提高生产过程的自动化程度n（2）可以改善劳动条件避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。n 3）可以减少人力便于
4、有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。n 1.4发展前景n 随着科技日益进步，以前需要人工加工制造的行业开始向自动化技术转变。作为近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机器人、机械手在现代制造技术领域中扮演了极其重要的角色，其能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，并有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作2022-11-142系统设计 n 2.1 系统结构及流程n 本课题的研究主要是将空气压缩机的曲轴从一个自动生产线搬运到另一个自动生产线的控制系统。n 机械手主要由手部
5、、腕部、升降部、滑动部、机座与控制箱，以及其它附件组成。其中手部为四指结构，其运动由具有自锁功能的夹紧气缸完成；升降部以导轨为导向装置，其运动由伺服电机驱动丝杠来完成；滑动部也是以导轨为导向装置，其运动由伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动来完成。PLC与相关控制器件安装于控制箱内，通过电缆与信号线与机械手进行联接。机械手的定位采用脉冲数来控制，升降运动与滑动都有快慢速调整，调整位置也由脉冲数来控制，而速度由脉冲频率调整。在料架1与料架2上分别安装接近开关，进行生产线上有无工件的检测，满足在料架1有工件时机械手才进行下降与抓取，料架2上无工件时机械手才下降放下工件。机械手还满足在断气与掉电时能够自锁，
6、保持当前的状态。2022-11-14n 系统上电后机械手开始初始化，初始化完毕后选择工作方式，分别为手动模式，半自动模式，自动模式n 手动模工作式下，操作员可以通过控制面板控制机械手的单步运动与零点复位，能够在机械手故障时进行检修。n 半自动工作方式下，只要操作员选择半自动工作方式，然后按下启动按钮，机械手首先会零点复位，然后检查料架1有工件，机械手下降抓取工件，上升前进，检测料架2上无工件机械手下降放下工件，返回原点，一个周期的动作完成，机械手停机。2022-11-14n 自动方式开始工作下，按下启动按钮，两台伺服电机通电，滑台、升降台、气缸等回到原位，气压表显示正常。机械手运动到上、左原点
7、位。当检测到料架1上有工件时，电机1反转，升降台快速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位2时，电机1停转；气缸伸出夹紧工件，当气缸压力到达一定程度时压力传感器得电表明工件夹紧；电机1正转，升降台先快速上升，达到一定脉冲数后时减速，当到达上原点时，电机1停转，升降台停止；电机2反转，滑台快速前进，达到一定脉冲数后滑台减速，到达右工位时电机2停止；当检测到生产线2无工件时，电机1反转，升降台快速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位1时电机1停转；气缸缩回放开工件，压力传感器失电表明工件已松开；电机1正转，升降台上升，先快速后慢速，当到达上原点时电机1停转，升降台停止；电机2正转，滑台返回到初始
8、位置，电机2停止。一个工作流程结束2022-11-14n 2.2 系统主要部件选择n 结合各种驱动类型的特点与机械结构设计与传动类型的选择。本机械手采用电气结合的驱动方式。其中，机械手的升降与平移都采用交流伺服电机驱动，手部的开合采用气缸驱动。n 2.2.1 气缸的选择n 夹紧装置是使手爪开、闭动作的动力装置。根据机械手部的夹紧力与手部张开后指尖距离，选用FESTO公司生产的两端带有终端可调缓冲装置的SNU-50-100-PPV-A型双作用气缸。并配有夹紧装置与行程开关。n 2.2.2 阀门的选择阀门的选择n 2.2.3 行程开关的选择行程开关的选择2022-11-142022-11-14n
9、2.2.4 接近开关的选择n 为了提高系统的可靠性与动作执行的准确性，选择OMRON公司的E2E-X5ME2型接近开关。它的具体参数如下：n （1）检测距离：5mmn （2）电源电压：DC1224Vn （3）消耗电流：小于13mAn （4）检测物体：磁性物体n （5）响应时间：0.31msn （6）输出方式：NPN输出n 接近开关也叫近接开关，又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境
10、等。2022-11-14n 2.2.5 驱动电机的选择 n 为了方便设计与维修，升降电机与水平移动电机选用同一型号，根据经验选用松下公司MinasA4系列全数字式交流伺服电机与驱动器。电机型号：Panasonic MDMA152P1U（其中惯量，1.5KW，200V，增量式编码器，标准型，键轴，有制动器）。第三章 控制系统的硬件设计n 3.1 控制系统功能n 本课题研究的机械手的控制特点。n （1）自由度少，本机械手只有三个自由度，分别由两个伺服系统与一个气动系统进行控制。n （2）任务简单，本机械手的工作任务是抓紧工件，并按要求进行平面点位运动，无需进行复杂的轨迹运算、坐标变换以及矩阵函数的
11、逆运算等。n （3）变量少，数学模型简单。只需要简单的机械自适应，无需使用前馈、补偿、解耦等复杂控制技术。2022-11-142022-11-14n 本课题控制系统主要是实现以下几个控制功能：n （1）伺服控制功能。该功能主要是指机械手的运动控制，实现机械手的位置、速度与加速度控制等。n （2）气动控制功能。该功能主要是指手部抓放的运动控制，实现手部的开合与自锁等。n （3）手动控制功能。该功能主要是操作员可以对机械手进行单步的操作控制，实现机械手的检测与故障修复功能。n （4）信息交换功能。该功能主要是指在生产线中机械手要与两个生产线或其它自动化控制系统进行信息交换、资源共享与协调工作等。2
12、022-11-14n 3.2 控制系统硬件结构n 机器人控制系统硬件结构大体可分为集中控制、主从控制、分级控制等三类。本机械手主要采用集中控制方式进行控制。n 3.2.1 位控模块n 现代可编程控制器一般都有位置控制功能，因此一般都配有位置控制模块单元，也称定位单元。EM253位控模块是S7-200的特殊功能模块，能够产生脉冲串，用于步进电机与伺服电机的速度与位置的开环控制n 它与S7-200通过扩展的I/O总线通讯，带有八个数字输出，作为智能模块出现在I/O组态中。位控模块能够产生移动控制所需的脉冲串，其组态存储在S7-200的V存储区中。2022-11-14n 3.2.3 控制系统硬件结构
13、n 本文所研究的机器人为两轴运动机械手，核心控制器由PLC及I/O模块与位控模块EM253组成，升降及水平移动由两台伺服电机驱动，手部的抓放由气缸来驱动，各类信号由控制面板与生产线输入。n 伺服电机配有驱动器，通过位控模块来完成脉冲输入，气缸的伸缩由一组继电器进行控制。各部件的运动极限由脉冲进行限位，并配有极限行程开关作为极限保护装置。机械手的控制系统硬件结构如图3-1所示。E M 2 5 3S7-200E M 2 5 3伺 服 驱 动 器升 降 伺 服 电 机平 移 伺 服 电 机伺 服 驱 动 器继 电 器抓 取 工 件 气 缸控 制 面 板限 位 开 关料 架 1 接 近 开 关料 架
14、2 接 近 开 关2022-11-14n 本系统主要由PLC主控单元、伺服驱动器、继电器、各类传感器与控制面板等组成。n 主控制单元采用模块式结构，各功能模块独立封装，安装在机架与导轨上，它由n PLC模块、I/O模块、两个位控模块与触摸终端组成，各模块之间通过PLC专用电缆联接，控制面板与PLC之间采用专用信号电缆联接。2022-11-14n 3.3 操作面板的设根据工件生产与搬运的特点与控制要求，机械手的控制按钮与指示灯分布如图3-2所示。图中的按钮与选择器的功能大部分由数控系统来实现。（1）急停按钮 （2）电源开关n （3）工作模式选择开关n （4）启动按钮n （5）试灯/报警清除按钮n
15、 （6）上升、下降、前进、后退、夹紧、松开按钮主要是在调试或排除故障以及其它需要进行单步操作时，对机械手进行手动操作。n （7）复位按钮2022-11-14n 图3-2 操作面板示意图2022-11-14n 3.4 PLC系统设计 n 根据系统分析选择用“CPU226 AC/DC/继电器24输入/16继电器输出”型PLC，同时，考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，增加10%-20%的裕量。另配一个EM223 24 VDC数字组合8输入/8输出的扩展模块与两个EM253位控模块。n 3.4.1 PLC的I/O分配表n （1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、总停按钮等，还包
16、括电动机的热保护继电器输入，外接电路电磁阀的输入点，伺服驱动器的输入等。n （2）PLC的输出端口包括运行指示灯、继电器、外部接口、伺服电机接口、EM253输入等。n PLC输入、输出分配表如表1所示2022-11-14n 3.4.2 PLC的I/O接线图n PLC的输入接口I0.0I1.5为操作面板的输入按钮信号输入点，I1.6I2.3为行程开关的输入信号输入点，I2.4、I2.5为两个料架上接近开关的信号输入点，I2.6、I2.7为伺服驱动器的报警输入点，I3.0、I3.1为伺服电机定位完成的信号输入点。PLC的输出点Q0.0Q0.6为各种灯信号的输出，Q0.7Q1.4输出给外部的信号，来
17、确定机械手当前的状态，Q1.5Q1.7输出至伺服驱动器控制伺服电机的电源通、伺服的报警，Q2.0Q2.3输出至定位模块来控制伺服电机的运行停止，Q2.4、Q2.5接通至气缸控制阀控制气缸的伸缩。2022-11-14n PLC的I/O接线图2022-11-14n 3.5运动控制系统的实现n 西门子S7-226继电器输出型PLC数字信号通过光电耦合器隔离输入、输出，大大提高了抗干扰能力n 运动控制系统由伺服控制系统与PLC 及EM253运动模块构成。伺服驱动器有电源输入接口（X1），电机接口（X2），RS485接口（X3），RS232接口（X4），I/O接口（X5），旋转编码器接口（X6），外置光
18、栅接口（X7）等7个接口。本系统中只用到了X1，X2，X5，X6等四个接口，X1、X2、X6等接口线数少，而且供应商已经做好，直接接入电机即电源相应接口中即可。而I/O接口（X5）则需要自定义。2022-11-14n 表1 PLC的I/O地址分配表n 输入点分配输出点分配n 地址电气元件功能说明地址电气元件功能说明n I0.0SF1启动按钮Q0.0PG1报警灯n I0.1SF2伺服报警清除Q0.1PG2上升指示灯n I0.2SF3原点复位Q0.2PG3下降指示灯n I0.3SF4-1自动工作方式Q0.3PG4前进指示灯n I0.4SF4-2手动工作方式Q0.4PG5后退指示灯n I0.5SF4
19、-3半自动工作方式Q0.5PG6夹紧指示灯n I0.6SF5机械手上升Q0.6PG7松开指示灯n I0.7SF6机械手下降Q0.7KF1上升完成n I1.0SF7机械手前进Q1.0KF2下降完成n I1.1SF8机械手后退Q1.1KF3前进完成n I1.2SF9机械手夹紧Q1.2KF4后退完成n2022-11-14n I1.3SF10机械手松开Q1.3KF5加紧完成n I1.4SF11正常停止Q1.4KF6松开完成n I1.5SF12停止Q1.5KF7伺服1电源接通n I1.6BG1上升极限Q1.6KF8伺服2电源接通n I1.7BG2升降原点Q1.7KF9伺服报警解除n I2.0BG3下降极
20、限Q2.0KF10伺服1运行n I2.1BG4后退极限Q2.1KF11伺服2运行n I2.2BG5进退原点Q2.2KF12伺服1停止n I2.3BG6前进极限Q2.3KF13伺服2停止n I2.4BG7料架1有工件Q2.4KF14夹紧工件n I2.5BG8料架2无工件Q2.5KF15松开工件n I2.6KF1伺服1报警n I2.7KF2伺服2报警n I3.0KF3伺服1定位完成n I3.1KF4伺服2定位完成2022-11-14n 3.6 控制系统电路设计 n 控制系统电路主要用来控制两台伺服电机、PLC、变压器以及外围设备等，控制系统电源电路接线如图3-7所示n 电源电路主要给两台伺服电机，
21、伺服驱动器与PLC控制器供电，系统采用的是380V交流电的输入，而伺服电机所用的电压为三相220V交流电，经过变压器将电压降为220V接至伺服控制器的电源输入端，再通过电源将220V的三相电压转换为24V直流电给PLC模块与伺服驱动器的控制系统供电2022-11-14 X1：电源输入接口 X2：电机接口 X5：I/O接口 X6：编码器接口 X3：RS485通讯口 X7：外置光栅接口 X4：RS232通讯口伺服驱动器L0L1L2QA0 X1：电源输入接口 X2：电机接口 X5：I/O接口 X6：编码器接口 X3：RS485通讯口 X7：外置光栅接口 X4：RS232通讯口伺服驱动器M1M2380
22、V220VCPU-226EM223 EM253 EM253L NL ML ML MQA1QA224VDC20VACQA32022-11-144 系统软件的设计与实现n 4.1 系统工作方式n 该机械手的工作方式有四种，分别为找原点、自动、手动与半自动 2022-11-14n 4.2 程序设计n 4.2.1 主程序设计n 机械手的控制程序分为主程序与6个子程序。出于可靠性考虑对于有安全要求的地方使用外接继电器与开关，其余用PLC内部继电器。n 本系统的控制程序由主程序构成整体架构，主程序中主要设定工作状态，如找原点、自动状态、半自动状态、手动状态等。初次上电时，调用初始化子程序，完成初始化工作。
23、初始化完成后，如果是初次上电或处于自动状态则机械手复位。2022-11-14n 图4-1主程序框图工 作 模 式 选 择系 统 初 始 化定 位 模 块 使 能自 动 子 程 序半 自 动 子 程 序报 警 子 程 序手 动 子 程 序手 动半 自 动自动系 统 上 电2022-11-14n 4.2.2 初始化子程序设计n 图4-2 初始化子程序框图延 时 30秒系 统 各 状 态 位 置 位定 位 模 块 赋 初 值初 始 化 子 程 序 入 口返 回2022-11-14n 4.2.3 复位子程序设计n 复位子程序用来完成机械手回复原点动作的程序，当机械手处于手动状态，不论机械手处于何种工位
24、，按下复位按钮开始调用复位子程序，机械手完成的复位动作，回到机械手原点。n 复位子程序框图如图4-3所示。伺服1正方向找零点复位子程序入口停机伺服2正方向找零点2022-11-14n 4.2.4 报警子程序设计n 报警子程序则用来完成故障显示与初步诊断功能，当机械手运动超出上下左右极限、在运动过程中机械手松开则自动调用此程序。当故障解除后，按下报警解除按钮则报警消除n 4.2.5 手动运行子程序设计n 手动子程序用于控制机械手与生产线断开通信后的单步动作，通过控制面板上的选择开关进行机械手工作方式选择，通过控制面板上的按钮进行手动操作。n 当控制面板处于手动状态，且各部位处于原位，各电机处于停
25、止状态时，按下控制面板上的上升、下降、前进、后退、夹紧、松开按钮时进行相应动作，再次按下相应按钮则停止动作。此时，除急停信号外，其他输入信号无效。2022-11-14n 系统手动子程序框图如图4-5所示前进后退夹紧松开下降上升伺服1正转伺服1反转伺服2正转伺服2反转阀1通阀2通复位复位子程序手动子程序入口2022-11-14n 4.2.6 半自动运行子程序n 半自动子程序用来控制与生产线断开通信时的单循环连续动作，通过控制面板上的选择开关选择状态，通过启动按钮进行操作，当按下启动按钮后机械手首先沿正方向寻找原点，到达原点后按照在自动工作方式下的动作顺序进行工作。半自动操作在一般使用中比较少用，
26、主要是在系统出现故障时才会使用，系统半自动程序框图如图4-7所示2022-11-14n 系统半自动程序框图如图4-7所示2022-11-14n 4.2.7 自动子程序设计n 自动子程序（见附录）用于控制与生产线连接通信时，接收生产线上信号的连续循环动作，自动子程序是机械手控制系统最为重要的子程序，在正常生产中主要使用自动工作方式。当系统上电后，选择自动工作方式，按下启动按钮，系统会按照自动方式工作，机械手首先沿正方向寻找原点，并检测料架1上是否有工件，当料架1上有工件后伺服1反转机械手下降到工位2，抓取工件并等待2秒，伺服1正转回升降原点，伺服2再反转到达前进工位后伺服1在反转下降到工位1，放
27、下工件等待2秒机械手回原点，再循环操作，直到停机。系统自动子程序框图如图4-8所示：2022-11-14n 系统自动子程序框图如图4-8所示：总结n 通过本次毕业设计，我学到了很多东西，让我受益匪浅，同时我又再一次的进行了系统的学习，在作毕业设计前，一直认为没有什么困难，但在实际操作过程中才清楚地认识到自己的不足和缺陷，让我端正了学习态度。n 我所以选择的设计题目一是它与我国工业发展息息相关，另一更重要的方面是借此机会验证自己在校四年来所学是否学以致用，是否能理论与实际联系，以此为媒介进一步掌握PLC在实际中的具体的应用方法。在设计期间，本人即设计了用PLC控制矿石输送系统，于此同时也设计了以
28、继电器为主对输送系统控制方式的设计。通过同一控制对象两种控制方式的对比，再一次直观地证明了PLC控制的优越性与先进性，通过这次设计让我在实践中探索答案，同时也具有极强地说服力。本次毕业设计使我加深巩固了基础知识，更加深刻的体会到基础知识的重要性，了解了本专业的具体应用范围和未来工作中应用方法措施。提高了动手能力和实际解决问题的能力，提高了对问题整体规划的意识。提高查阅资料的能力，和把握重点设计的核心，培养了团队合作精神和人际交往能力，尤其通过本次亲身体验的设计，才明白“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的道理！2022-11-14n 通过本次毕业设计，让我我更加自信，更加智慧，这会对我更快的融入
29、到将来的社会，出色地完成工作任务有不可估量的积极作用。经过两个多月的不懈努力，终于有了一个较成型的设计展现在了我面前，加深了对PLC控制系统的进一步了解，更加清楚地认识到其在现代化工业中所起的巨大作用。由于本人水平有限，难免有考虑不足之处，所以恳请老师同学们批评指正。n 在此真诚感谢朱益江老师，朱益江老师不仅在技术上给于我以极大的支持和帮助而且在交谈中也语重心长灌输给了我这样一个十分重要理念，就是要想作为一名合格的自动化工作人员必须在工作中养成严谨认真的工作态度戒骄戒燥。我将永远牢记朱老师对我们这些即将走上岗位的年轻大学生的教诲，务实工作，争取早日成为一名合格的工作人员。2022-11-14谢谢观赏WPS OfficeMake Presentation much more funWPS官方微博kingsoftwps
