基于PLC的生產線搬運機械手控制系統(tǒng)設計

1、湖州職業(yè)技術學院機電一體化專業(yè)畢業(yè)論文畢 業(yè) 論 文題目 基于PLC的生產線搬運機械手控制系統(tǒng)設計姓 名 薛博隆學 號 1320302236專業(yè)班級機電一體化1302 指導教師錢振華2016年 4 月 20 日湖職院機電一體化專業(yè)畢業(yè)論文基于PLC的生產線搬運機械手控制系統(tǒng)設計學 生：薛博隆指導教師：錢振華摘 要搬運機械手在自動化生產線上是一個重要的裝置，他能精確定位并抓起工件搬運到另一個工作站并放下，具有故障報警，安全穩(wěn)定的功能。系統(tǒng)采用的是PLC控制。文中通過對生產線的分析，確定了生產線搬運機械手的機械結構，通過對機械手的工作原理與機械手的控制要求，確定了適合的PLC型號進行了I/O口的分

2、配，對伺服電機的定位控制進行了軟件設計。研究表明，機械手具有良好的位置控制精度，運行的可靠穩(wěn)定性，和簡單的控制方法。關鍵詞：生產線機械手；氣動原理；伺服電機；PLC目 錄摘 要目 錄第一章 前言1第二章 生產線機械手的結構及工作原理22.1 自動化生產線布局與原理22.2 生產線機械手的結構32.3 生產線機械手的工作原理4第三章 生產線搬運機械手控制要求53.1 生產線搬運機械手控制系統(tǒng)設計53.1.1 搬運機械手動作流程工藝分析73.1.2 PLC I/O 口分配83.2 生產線搬運機械手程序設計93.2.1 PTO指令的作用與創(chuàng)建93.2.2 PTO指令的使用153.3 完成的部分程序1

3、8第四章 結束語19致 謝20參考文獻21第一章 前言機械手是指能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等存在著各種各樣的生產環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產環(huán)境不利于人工進行操作。那么搬運機械手都有哪些形式呢？1、圓柱坐標式機械手 圓柱坐標式機械手是應用最多的一種形式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好、結構簡單、本體占

4、用的空間較小的特點。其動作范圍可分為：一個旋轉運動，一個直線運動加一個不在直線運動所在平面內的旋轉運動，兩個直線運動加一個旋轉運動。 2、直角坐標式機械手 直角坐標式機械手是適合于工作位置成行排列或傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可以伸縮，左右和上下移動，按直角坐標形式x、y、z 3個方向的直線進行運動。其工作范圍可以是1個直線運動、2個直線運動或是3個直線運動。如在x、y、z 3個直線運動方向上各具有A 、B、C 3個回轉運動，即構成6個自由度。 3、關節(jié)式機械手 關節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動形式。它像人手一樣有肘關節(jié)，可實現(xiàn)多個自由

5、度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。 4、球坐標式機械手 球坐標式機械手是一種自由度較多、用途較廣的機械手。球坐標式機械手的工作范圍包括一個旋轉運動、兩個旋轉運動、兩個旋轉運動加一個直線運動。 搬運機械手是給我們節(jié)約了很多的勞動力并且提高了效率，但是要想效率更高就要選擇正確的搬運機械手。大學即將畢業(yè)，畢業(yè)設計是其中最后一個環(huán)節(jié)，是對以前所學的知識及所掌握的技能的綜合運用和檢驗。隨著我國經濟的迅速發(fā)展，采用PLC的技術得到愈來愈廣泛的應用。第二章 生產線機械手的結構及工作原理2.1自動化生產線布局圖1 自動化生產線示意圖首先我們來熟悉一個這個系統(tǒng)，圖1是一個自動化

6、生產線的簡化示意圖。如圖1所示，這個系統(tǒng)是由5個獨立不同的站點組成的。供料站實現(xiàn)物料物料的供給；加工站獨立加工由機械手送來的物料；裝配站將加工完成的零件與配合零件進行組裝，由細分步進電機驅動驅動步進電機實現(xiàn)一個工位1/3圈；分揀站分揀加工組裝完成的工件，由金屬傳感器，光纖傳感器組成；搬運站主要完成抓取于放下的動作，將供料站的物料搬運到加工站，并等加工站完成加工，再將工件搬運到裝配站裝配，最后將裝配完成的元件搬運到分揀站進行分揀。2.2生產線機械手的結構圖 21.推料氣缸 2.井道式工件庫 3.加緊/放松氣缸 4.伸縮氣缸5.旋轉氣缸 6提升下降氣缸圖2為供料站與搬運站的氣動機械手的結構及動作示

7、意圖，主要由伺服驅動器、直線導軌、四自由度搬運機械手、定位開關、行程開關、支架、機械零部件構成。其主要元件功能如下：1.伺服驅動器：用于驅動伺服電機。2.磁性傳感器1：用于升降氣缸的位置檢測，當檢測到氣缸準確到位后給PLC發(fā)出一個到位信號。3.磁性傳感器2：用于旋轉氣缸的位置檢測，當檢測到氣缸準確到位后給PLC發(fā)出一個到位信號。4.磁性傳感器3：用于帶導桿氣缸的位置檢測，當檢測到氣缸準確到位后給PLC發(fā)出一個到位信號。5.磁性傳感器4：用于平行氣夾的位置檢測，當檢測到氣缸準確到位后給PLC發(fā)出一個到位信號。6.行程開關：其中一個給PLC提供原點信號；另外兩個用于硬件保護，當任何一軸運行過頭，碰

8、到行程開關時，斷開步進電機控信號公共端，使步進電機停止運行。7.電磁閥：升降氣缸、旋轉氣缸、帶導桿氣缸用二位五通的帶手控開關的單控電磁閥控制；平行氣夾用用二位五通的帶手控開關的雙控電磁閥控制，四個電磁閥集中安裝在帶有消聲器的匯流上。當PLC給電磁閥一個信號，電磁閥動作，對應氣缸動作。8.升降氣缸：由單控電磁閥控制。當氣動電磁閥得電，氣缸伸出，將機械手抬起。9.旋轉氣缸：由單控電磁閥控制。當氣動電磁閥得電，將機械手旋轉一定角度。10.帶導桿氣缸：由單控電磁閥控制。當氣動電磁閥得電，將機械手伸出。11.平行氣夾：由雙控電磁閥控制。當氣動電磁閥一端得電時，平行氣夾張開或夾緊。12.端子排：用于連接P

9、LC輸入輸出端口與各傳感器和電磁閥。2.3生產線機械手的工作原理圖3 氣動原理圖生產線搬運機械手的氣動原理如圖3所示。該氣動系統(tǒng)主要包括4個氣缸：提升氣缸、旋轉氣缸、手爪伸出氣缸、夾緊氣缸。其中提升氣缸、旋轉氣缸、手爪伸出氣缸均由單電控二位五通閥1YV、2YV、3YV控制。單向節(jié)流閥用來提高氣缸動作時的速度穩(wěn)定性。該氣動機械手工作過程為：搬運機械手手臂提升手臂伸出手臂下降手爪夾緊手臂提升手臂縮回伺服驅動器發(fā)送一個工作距離脈沖搬運站移動到加工站手臂伸出手臂下降手爪放開手臂縮回。加工站到裝配站的工作過程為：搬運機械手手臂提升手臂伸出手臂下降手爪夾緊手臂提升手臂縮回手臂下降伺服驅動器發(fā)送一個工作距離

10、脈沖搬運站移動到裝配站手臂提升手臂伸出手臂下降手爪放開手臂縮回。裝配站到分揀站的工作過程為：搬運機械手手臂提升手臂伸出手臂下降手爪夾緊手臂提升手臂縮回手臂左轉伺服驅動器發(fā)送一個工作距離脈沖搬運站移動到分揀站手臂伸出手臂下降手爪松開手臂縮回搬運機械手回到供料站復位手臂右轉。第三章 生產線搬運機械手控制要求3.1 生產線搬運機械手控制系統(tǒng)設計生產線搬運機械手采用氣動閥控制，在搬運工件過程中，實現(xiàn)機械手搬運工件的精確控制，同時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。出現(xiàn)突發(fā)事件時，應做相應處理。具體要求如下。按“復位SB1”按鈕，機械手返回原點，手爪縮回、張開，提升氣缸處于下限位、旋轉氣缸處于右限位狀態(tài)。按“啟動SB2

11、”按鈕,系統(tǒng)啟動，機械手先提升，接著機械手伸出，手爪夾緊，模擬取工件動作。接著機械手移動至加工單元物料臺正前方，機械手伸出到位后，機械手下降，手爪松開，模擬放工件動作。過3S后，重復上述模擬取工件動作，完成后機械手移動至裝配單元，機械手伸出到位后，機械手下降，手爪松開，模擬放工件動作。過0.5S后，重復上述模擬取工件動作，完成后機械手移動至分揀單元，逆勢時針旋轉90度，重復上述模擬放工件動作，完成后機械手返回原點，途中順時針旋轉90度，返回時先快速返回，接近原點時以恒定的低速返回原點。搬運機械手按上述過程循環(huán)模擬搬運工件。下圖所示程序的順序控制圖圖4 順序控制圖3.1.1 搬運機械手動作流程工

12、藝分析根據生產線搬運機械手的動作流程及系統(tǒng)的工作原理，將生產線機械手動作順序、電磁鐵狀態(tài)以及伺服電機的脈沖信號PUL和方向信號SIGN的狀態(tài)列于表1、表2、表3所示。順序動作名稱電磁鐵狀態(tài)伺服電機驅動器1YV2YV3YV4YV14YV2PULSESIGN1手臂提升+-+2手臂伸出+-+-+3手臂下降-+-+4手抓夾緊-+-5手臂提升+-+-6手臂縮回+-+-7電機正轉1個工位+-+-+-8手臂伸出+-+-9手臂下降-+-10手抓松開-+-+12手臂縮回-+表1 供料站到加工站工作原理順序動作名稱電磁鐵狀態(tài)伺服電機驅動器1YV2YV3YV4YV14YV2PULSESIGN1手臂提升+-+-2手臂

13、伸出+-+-+-3手臂下降-+-+-4手抓夾緊-+-5手臂提升+-+-6手臂縮回+-+-7電機正轉1個工位+-+-+-8手臂伸出+-+-9手臂下降-+-10手抓松開-+-+-12手臂縮回-+-表2 加工站到裝配站工作原理順序動作名稱電磁鐵狀態(tài)伺服電機驅動器1YV2YV3YV4YV14YV2PULSESIGN1手臂提升+-+-2手臂伸出+-+-+-3手臂下降-+-+-4手抓夾緊-+-5手臂提升+-+-6手臂縮回+-+-7手臂左轉+-+-8電機正轉1個工位+-+-+-9手臂伸出+-10手臂下降-+-12手抓松開-+-+-13手臂縮回-+-+-14電機反轉回到供料站復位-+-+15手臂右轉-+-表3

14、 裝配站到分揀站工作原理3.1.2 PLC I/O 口分配根據輸入輸出的特點及數(shù)量，本系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC作為控制器。表4為生產線搬運機械手控制系統(tǒng)的I/O口分配表。輸入輸出元件名稱地址元件名稱地址SB01停止按鈕I1.2PULSE伺服脈沖Q0.0SB02復位按鈕I1.3SIGN伺服方向Q0.1SB03啟動按鈕I1.450YV提升電磁閥Q0.2QS01急停I1.551YV旋轉電磁閥Q0.3ST01原點行程開關I0.052YV手爪伸出電磁閥Q0.41RS1提升臺下限位I0.153YV1手爪夾緊電磁閥Q0.51RS2提升臺上限位I0.253YV2手爪放松電磁閥Q0.62RS1左旋到

15、位I0.3HL51紅燈Q0.72RS2右旋到位I0.4HL52黃燈Q1.03RS1手爪伸出到位I0.5HL53綠燈Q1.13RS2手爪縮回到位I0.64RS1手爪夾緊狀態(tài)I0.7表4 I/O分配表3.2 生產線搬運機械手程序設計氣動機械手動作流暢簡單，且規(guī)律性強，在進行程序設計的時候可以采用置位復位指令實現(xiàn)順序控制，這里略去。在本搬運機械手程序設計中，較為復雜的是伺服電機的控制。在伺服電機控制電路中，伺服電機驅動的脈沖信號PULSE、方向型號SIGN分別由PLC的Q0.0和Q0.1提供，通過程序設置脈沖數(shù)目和伺服電機的轉動方向，從而實現(xiàn)對生產線搬運機械手前進、后退工位之間距離的精確控制。根據伺

16、服電機的工作特點，程序設計是采用S7-200PLC的高速脈沖輸出指令PLS實現(xiàn)伺服電機的定位控制。高速脈沖輸出指令有高速脈沖輸出PTO和寬度可調脈沖輸出PWM兩種方式，采用PTO方式，用戶可以控制脈沖周期和個數(shù)，根據系統(tǒng)要求，選用PTO高速脈沖輸出方式。由于伺服電機再啟動時如果突加高頻脈沖，電機會產生嘯叫、失步，甚至不能啟動，停止時也不能將脈沖從高頻突降至零，因此伺服電機在經歷啟動運行停止時必須經過加速高速運行減速3個階段。因此，在使用PTO指令時應在包絡里設置加速時間與減速時間。3.2.1 PTO指令的作用與創(chuàng)建 .概述S7-200 有兩個 置PTO/PWM 發(fā)生器，用以建立高速脈

17、沖串（PTO）或脈寬調節(jié)（PWM） 信號波形。 當組態(tài)一個輸出為PTO 操作時，生成一個50%占空比脈沖串用于步進電機或伺服電 機的速度和位置的開環(huán)控制。 置PTO 功能提供了脈沖串輸出，脈沖周期和數(shù)量可由用戶控制。但應用程序必須通過PLC內置I/O 提供方向和限位控制。 為了簡化用戶應用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN 提供的位控向導可以幫助您在幾分鐘內全部完成PWM，PTO 或位控模塊的組態(tài)。向導可以生成位置指令，用戶可以用這些指令在其應用程序中為速度和位置提供動態(tài)控制。 .使用位控向導編程 STEP7V4.0軟件的位控向導能自動處理PTO脈沖的單段

18、管線和多段管線、脈寬調制、SM位置配置和創(chuàng)建包絡表。   本節(jié)將給出一個在YL-335A上實現(xiàn)的簡單工作任務例子，闡述使用位控向導編程的方法和步驟。表1是YL-335A上實現(xiàn)步進電機運行所需的運動包絡。       運動包絡站點脈沖量移動方向1供料站加工站1050002加工站裝配站750003裝配站分揀站600004分揀站高速回零前100000DIR5低速回零單速返回DIR表5 步進電機運行的運動包絡.使用位控向導編程的步驟如下：以下為S7-200 PLC選擇選項組態(tài)

19、0;置PTO/PWM操作。   1）在STEP7 V4.0軟件命令菜單中選擇 工具位置控制向導并選擇配置S7-200PLC內置PTO/PWM操作，如圖5所示。圖5位控向導啟動界面2）單擊“下一步”選擇“QO.0”，再單擊“下一步”選擇“線性脈沖輸出PTO）”。圖5  選擇PTO或PWM界面3）單擊“下一步”后，在對應的編輯框中輸入MAX_SPEED和SS_SPEED速度值。輸入最高電機速度“90000”，把電機啟動/停止速度設定為“600”。這時，如果單擊MIN_SPEED值對應的灰色框，可以發(fā)現(xiàn)，MIN_SPEED值改為6

20、00，注意：MIN_SPEED值由計算得出。用戶不能在此域中輸入其他數(shù)值。圖64）單擊“下一步”填寫電機加速時間“1500”和電機減速時間 “200”圖7設定加速和減速時間5）接下來一步是配置運動包絡界面，見圖8。圖8配置運動包絡界面6）該界面要求設定操作模式、1個步的目標速度、結束位置等步的指標，以及定義這一包絡的符號名。（從第0個包絡第0步開始）在操作模式選項中選擇相對位置控制，填寫包絡“0”中數(shù)據目標速度“60000”，結束位置“85600”，點擊“繪制包絡”，如圖9所示，注意，這個包絡只有1步。包絡的符號名按默認定義。這樣，第0個包絡的設置，即從供料站加工站的運動包絡設置就完

21、成了?，F(xiàn)在可以設置下一個包絡。圖9設置第0個包絡7）點擊“新包絡”，按上述方法將下表中上5個位置數(shù)據輸入包絡中去。 運動包絡站點脈沖量目標速度移動方向1供料站加工站105000400002加工站裝配站75000400003裝配站分揀站60000400004分揀站高速回零前10000040000DIR5低速回零單速返回20000DIR表中最后一行低速回零，是單速連續(xù)運行模式，選擇這種操作模式后，在所出現(xiàn)的界面中（見圖10），寫入目標速度“20000”。界面中還有一個包絡停止操作選項，是當停止信號輸入時再向運動方向按設定的脈沖數(shù)走完停止，在本系統(tǒng)不使用。圖10設置單速連續(xù)旋轉包絡8）運動包絡編寫完

22、成單擊“確認”，向導會要求為運動包絡指定V存儲區(qū)地址（建議地址為VB75VB300），默認這一建議，單擊“下一步”出現(xiàn)圖11，單擊 “完成”。圖11 生成項目組件提示9）項目組件運動包絡組態(tài)完成后，向導會為所選的配置生成三個項目組件（子程序），分別是：PTOx_RUN子程序（運行包絡），PTOx_CTRL子程序（控制）和PTOx_MAN子程序（手動模式）子程序。一個由向導產生的子程序就可以在程序中調用如圖12所示。圖12 三個項目組件3.2.2 PTO指令的使用PTOx_RUN子程序（運行包絡）：命令 PLC 執(zhí)行存儲于配置包絡表的特定包絡中的運動操作。運行這一子程序的梯形圖如圖13所示。圖1

23、3 運行PTOx_RUN子程序EN位：啟用此子程序的使能位。在“完成”位發(fā)出子程序執(zhí)行已經完成的信號前，請確定EN位保持開啟。START參數(shù)：包絡的執(zhí)行的啟動信號。對于在START參數(shù)已開啟且PTO當前不活動時的每次掃描，此子程序會激活PTO。為了確保僅發(fā)送一個命令，請使用上升緣以脈沖方式開啟START參數(shù)。Profile（包絡）參數(shù)：包含為此運動包絡指定的編號或符號名。Abort（終止）參數(shù)命令，開啟時位控模塊停止當前包絡并減速至電機停止。Done（完成）參數(shù)：當模塊完成本子程序時，此參數(shù) ON。Error（錯誤）參數(shù)：包含本子程序的結果。C_Profile參數(shù)：包含位控模塊當前執(zhí)行的包絡。

24、C_Step參數(shù)：包含目前正在執(zhí)行的包絡步驟。PTOx_CTRL子程序：（控制）啟用和初始化與步進電機或伺服電機合用的PTO輸出。請在用戶程序中只使用一次，并且請確定在每次掃描時得到執(zhí)行。即始終使用SM0.0作為EN的輸入，如圖14所示。圖14 運行PTOx_CTRL子程序I_STOP（立即停止）輸入：開關量輸入。當此輸入為低時，PTO功能會正常工作。當此輸入變?yōu)楦邥r，PTO立即終止脈沖的發(fā)出。D_STOP（減速停止）輸入：開關量輸入。當此輸入為低時，PTO功能會正常工作。當此輸入變?yōu)楦邥r，PTO會產生將電機減速至停止的脈沖串。“完成”輸出：開關量輸出。當“完成”位被設置為高時，它表明上一個指

25、令也已執(zhí)行。Error（錯誤）參數(shù)：包含本子程序的結果。當“完成”位為高時，錯誤字節(jié)會報告無錯誤或有錯誤代碼的正常完成。如果PTO向導的HSC計數(shù)器功能已啟用，C_Pos參數(shù)包含用脈沖數(shù)目表示的模塊；否則此數(shù)值始終為零。PTOx_MAN子程序（手動模式）：將PTO輸出置于手動模式。這允許電機啟動、停止和按不同的速度運行。當PTOx_MAN子程序已啟用時，任何其他PTO子程序都無法執(zhí)行。運行這一子程序的梯形圖如圖15所示。圖158 運行PTOx_MAN子程序RUN（運行/停止）參數(shù)：命令PTO加速至指定速度（Speed（速度）參數(shù)）。您可以在電機運行中更改Speed參數(shù)的數(shù)值。停用RUN參數(shù)命令

26、PTO減速至電機停止。當RUN已啟用時，Speed參數(shù)確定著速度。速度是一個用每秒脈沖數(shù)計算的DINT（雙整數(shù)）值。您可以在電機運行中更改此參數(shù)。Error（錯誤）參數(shù)包含本子程序的結果。如果PTO向導的HSC計數(shù)器功能已啟用，C_Pos參數(shù)包含用脈沖數(shù)目表示的模塊；否則此數(shù)值始終為零。3.3完成的部分程序第四章 結束語搬運機械手采用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維修容易。使用該機械手代替人工搬運工件，既安全，又準確，提高了勞動生產率，保證了工件的質量，降低了工人的勞動強度，具有較好的經濟效益和社會效益?？删幊炭刂破鱌LC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性,可以在機械手的控制系統(tǒng)的設計中起到了十分重要的作用。隨著機械手應用的普及，機械手向著專用化，機械結構向模塊化、可重構化的方向發(fā)展，機械手的動作更加靈活多樣，其控制方式也在向著多元化的方向發(fā)展，在PLC控制的過程中,還有許多的問題需要解決，PLC在機械手開發(fā)中的開發(fā)應用還有很大的空間。這次畢業(yè)論文,對我來說非常有意義,在寫論文的過程中我學到很