【畢設(shè)】MPS操作手(機(jī)械手)單元調(diào)試控制功能的設(shè)計與實現(xiàn)_圖文

1、摘要MPS 模塊化生產(chǎn)加工教學(xué)系統(tǒng)是一個機(jī)電一體化的教學(xué)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中融合了機(jī)械技術(shù)、氣動技術(shù)、電氣控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)等技術(shù)。本設(shè)計內(nèi)容為在現(xiàn)有硬件條件下，針對該設(shè)備設(shè)計一套合理的生產(chǎn)工藝過程，通過設(shè)計PLC 的控制程序?qū)Σ僮魇謫卧倪M(jìn)行手動控制，實現(xiàn)可用于調(diào)試設(shè)備的手動單步運(yùn)行、復(fù)位以及急停的控制功能。關(guān)鍵詞：MPS 、PLC 、操作手目錄摘要. I 目錄. I I 1 緒論. 11.1課題背景及意義 . . 11.2 任務(wù)要求 . . 1 2 MPS系統(tǒng)簡介. 22.1 MPS系統(tǒng)的基本功能 . . 2 3 操作手單元控制功能設(shè)計. 43.1 操作手單元結(jié)構(gòu)簡介 . .

2、43.1.1 操作手單元的基本結(jié)構(gòu) . . 43.1.2 操作手單元中主要傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用 . 63.1.3 PLC的I/O分配情況 . 63.2 操作手單元的控制功能設(shè)計與實現(xiàn) . . 93.2.1 操作手單元的控制功能設(shè)計 . . 93.2.2 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計 . . 103.2.3手動單步運(yùn)行控制功能實現(xiàn) . . 104 程序調(diào)試. 234.1 聯(lián)機(jī)調(diào)試中出現(xiàn)的問題 . . 234.2 問題的解決方案及結(jié)果 . . 23 5 結(jié)論. 24 謝辭. 25 參考文獻(xiàn). 261 緒論MPS 模塊化生產(chǎn)加工教學(xué)系統(tǒng)是一個機(jī)電一體化的教學(xué)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中融合了機(jī)械技術(shù)、氣動技術(shù)、電氣控制技術(shù)

3、、傳感器技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)等技術(shù)。要完成課題，首先要掌握該系統(tǒng)，在學(xué)生了解掌握MPS 設(shè)備結(jié)構(gòu)的過程中，可培養(yǎng)學(xué)生的知識綜合應(yīng)用能力。1.1課題背景及意義MPS 模塊化生產(chǎn)加工教學(xué)系統(tǒng)，是一套機(jī)電一體化的教學(xué)設(shè)備，該設(shè)備由德國FESTO 公司生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)仿真，能夠反映現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的典型控制過程，非常適合于進(jìn)行職業(yè)技能的培訓(xùn)。MPS 設(shè)備采用PLC 控制，操作手單元是MPS 系統(tǒng)中的一個單元，本課題通過對一個機(jī)電一體化的設(shè)備-操作手單元的控制系統(tǒng)的設(shè)計，達(dá)到鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)技術(shù)知識的能力。學(xué)校的MPS 設(shè)備中的操作手單元是一個機(jī)電一體化的系統(tǒng)，該設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過多種傳感器檢測

4、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，采用PLC 控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。該設(shè)備采用PLC 控制，PLC 是現(xiàn)代工業(yè)自動化設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛的控制器，同時也廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域中，學(xué)生在本設(shè)計中所使用的PLC 是國際主流品牌的主流產(chǎn)品，在實際中應(yīng)用十分廣泛，因此，本課題可以對學(xué)生起到崗前職業(yè)技能培訓(xùn)的作用。1.2 任務(wù)要求1. 總體任務(wù)由本課題組的全體同學(xué)共同討論確定方案，在分工合作，通過編寫PLC 控制程序、上機(jī)調(diào)試、修改程序等過程，實現(xiàn)對MPS 設(shè)備的自動控制。2. 本人在課題中承擔(dān)的主要任務(wù)本人在此次畢業(yè)設(shè)計中主要負(fù)責(zé)整個MPS 系統(tǒng)的第四個工作單元操作手單元的手動控制設(shè)計工作。具體工作內(nèi)容有：設(shè)計PL

5、C 控制程序?qū)Σ僮魇謫卧M(jìn)行自動控制，使其具備“調(diào)試”的控制功能，即：具備“手動單步”、“復(fù)位”、“急?！钡目刂乒δ?；操作手單元的工藝流程設(shè)計、PLC 控制程序的編寫與調(diào)試。2 MPS系統(tǒng)簡介模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)（MPS ，Modular Production System）是由德國FESTO 公司出品的教學(xué)設(shè)備。MPS 體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)的實際應(yīng)用。MPS 設(shè)備是一套開放式的設(shè)備，用戶可根據(jù)自己的需要選擇設(shè)備組成單元的數(shù)量、類型，最多可由9個單元組成，最少時一個單元可自成一個獨(dú)立的控制系統(tǒng)。由多個單元組成的系統(tǒng)可以體現(xiàn)出自動生產(chǎn)線的控制特點(diǎn)。MPS 設(shè)備一般用（Programmable Lo

6、gic Controller，可編程序邏輯控制器）控制。PLC 是專為工業(yè)過程控制而設(shè)計的控制設(shè)備，在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。在本設(shè)計中采用的PLC 為西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC ，下文將會進(jìn)行重點(diǎn)介紹。MPS 模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)是由供料單元、檢測單元、加工單元、操作手單元、成品分裝單元等五個生產(chǎn)單元組合而成的。多單元組成的MPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1-1所示。 2.1 MPS系統(tǒng)的基本功能MPS 設(shè)備給學(xué)習(xí)者提供了一個半開放式的學(xué)習(xí)環(huán)境，雖然各個組成單元的結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，但是，設(shè)備的各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照什么樣的動作順序執(zhí)行、各個單元之間如何配合、最終使MPS 模擬一個什么樣的生產(chǎn)加工控

7、制過程、MPS 作為一條自動生產(chǎn)流水線具有怎樣的操作運(yùn)行模式等，學(xué)習(xí)者都可根據(jù)自己的理解，運(yùn)用所學(xué)理論知識，設(shè)計出PLC 控制程序，使MPS 設(shè)備實現(xiàn)一個最符合實際的自動控制過程。但MPS 設(shè)備的每個單元都具有最基本的功能，學(xué)習(xí)者只能在這些基本功能的圖2-1 多單元組成的MPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計與發(fā)揮。各個單元的基本功能如下。1. 供料單元按照需要將放置在料倉中的待加工工件（毛坯料）自動地取出并將其傳送到第二個單元檢測單元。2. 檢測單元將供料單元送來的待加工工件進(jìn)行顏色及材質(zhì)的識別，并進(jìn)行高度檢測，將符合要求的工件通過上滑槽分流到下一個單元加工單元；將不符合的工件從下滑槽剔除。3.

8、加工單元將檢測單元傳送過來的待加工工件進(jìn)行模擬鉆孔加工，并可以對加工結(jié)果進(jìn)行檢測。4. 操作手單元將加工單元加工后的工件從加工單元取走，取出的工件可以有兩個流向：對符合要求的工件，送往下一個單元分揀單元；對不符合要求的工件，則放到本單元的滑槽中剔除。5. 分揀單元可以將上一單元傳送過來的工件按顏色或材質(zhì)的不同，分別從不同的滑槽分流。3 操作手單元控制功能設(shè)計3.1 操作手單元結(jié)構(gòu)簡介 3.1.1 操作手單元的基本結(jié)構(gòu)操作手單元主要由提取模塊、氣源處理組件、CP 閥組、真空壓力發(fā)生器、真空檢測傳感器、I/O接線端口、滑槽模塊等組成。提取模塊提取模塊如圖2-2所示。該模塊實際上是一個“氣動機(jī)械手”

9、，它主要由兩個直線氣缸（提取氣缸和擺臂氣缸）、一個轉(zhuǎn)動氣缸及支架等組成。 提取氣缸安裝在擺臂氣缸的氣缸桿的前端，用于實現(xiàn)垂直方向的運(yùn)動，以便于提取工件。該氣缸在結(jié)構(gòu)上不同于一般的直線氣缸，其氣缸桿為空心結(jié)構(gòu)，兼做氣路使用；活塞位于氣缸桿的中間，以便于使氣缸桿的兩端都能露在缸體的外面。在氣缸桿的上端安裝著導(dǎo)氣管，在氣缸桿的下端安裝著吸嘴，通過吸嘴提取工件。在提取氣缸的兩個極限位置分別安裝有磁感應(yīng)式接近開關(guān)，用于判斷氣缸的動作是否到位（極限位置）。擺臂氣缸構(gòu)成氣動機(jī)械手的“手臂”，可以實現(xiàn)水平方向的伸出、縮回動作，在氣缸的兩個極限位置分別安裝有磁感應(yīng)式接近開關(guān)，用于判斷氣缸的動作是否到位（極限位置

10、）。擺臂氣缸安裝在轉(zhuǎn)動氣缸的輸出轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)動氣缸用于實現(xiàn)擺臂氣缸的轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角為180°。在氣缸的兩個極限位置分別安裝有磁感應(yīng)式接近開關(guān)，用于判斷氣缸的動作是否到位（極限位置）。該轉(zhuǎn)動氣缸的結(jié)構(gòu)不同于供料單元中的轉(zhuǎn)動氣缸，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示?；勰K滑槽模塊如圖2-4所示?；勰K用于存放加工單元鉆孔不合格的工件。 CP 閥組本單元的CP 閥組由4個電磁閥組成，其中3個位帶手控開關(guān)的雙側(cè)電磁先導(dǎo)控制閥，另一個為帶手控開關(guān)的單側(cè)電磁先導(dǎo)控制閥。 3.1.2 操作手單元中主要傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用1. 在機(jī)架上有兩個磁感應(yīng)式接近開關(guān)，用于標(biāo)識擺臂的兩個極限位置。 2. 在擺臂上有兩個

11、磁感應(yīng)式接近開關(guān)，用于標(biāo)識伸縮缸的兩個極限位置。 3. 在提取缸的兩個極限位置上裝有兩個磁感應(yīng)式接近開關(guān)，用于檢測提取缸運(yùn)動的極限位置。4. 真空壓力檢測傳感器，用于檢驗真空吸盤是否吸到工件。5. 吸盤內(nèi)腔的負(fù)壓（真空）是靠真空發(fā)生器產(chǎn)生的，而真空發(fā)生器的基本工作原理是引原理。3.1.3 PLC的I/O分配情況1.PLC 與本單元控制按鈕之間的I/O接口情況PLC 與本單元控制按鈕之間的I/O接口情況見表3-1。 2.PLC 與本單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的I/O接口情況 PLC 與本單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的I/O接口情況見表3-2。 表3-2 PLC與本單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的I/O接口情況 3. 操作手單元與相鄰

12、單元之間PLC 的I/O接口具體情況由于本次設(shè)計使用的PLC 的I/O接口有限，所以不能實現(xiàn)各個單元同時用一臺PLC 進(jìn)行控制。本次設(shè)計中有5個單元，分別由5臺PLC 對各自單元進(jìn)行控制。所以本次設(shè)計中的各個單元的通訊是通過I/O接口連接起來實現(xiàn)通訊的。其中操作手單元與加工單元、成品分裝單元的通訊信號及地址分配情況見表3-3。表3-3 操作手單元與相鄰單元間PLC 的I/O接口具體情況（續(xù)） 表3-3 操作手單元與相鄰單元間PLC 的I/O接口具體情況 在通訊中，I0.6、I0.7和Q0.1、Q0.2是用于傳遞顏色及材質(zhì)信息的，I0.6、I0.7的內(nèi)容是由加工單元傳送過來的，Q0.1、Q0.2

13、的內(nèi)容是向成品分裝單元傳送的。其信息編碼情況詳見表3-4。表3-4 工件顏色、材質(zhì)信息的編碼情況 3.2 操作手單元的控制功能設(shè)計與實現(xiàn)3.2.1 操作手單元的控制功能設(shè)計由于本設(shè)計要求在現(xiàn)有硬件條件下，設(shè)計PLC 可用于調(diào)試設(shè)備的手動單步運(yùn)行、復(fù)位以及急停的三個控制功能1. 操作手單元的主要功能把加工好的工件從加工單元中取出，按要求將工件送到下個單元或放入本單元的滑槽中將工件清除。2. 操作手單元結(jié)構(gòu)組成主要包括：氣源處理組件、CP 閥組、真空壓力發(fā)生器、真空壓力傳感器、操作手、磁感應(yīng)式接近開關(guān)、I/O接線端口、滑槽模塊、走線槽以及鋁合金板等電子器件及氣動組件組成。氣源處理組件：氣源處理組件

14、是氣動控制系統(tǒng)中的基本組成組件。其作用為除去壓縮在空氣中所含的雜質(zhì)及凝結(jié)水，調(diào)節(jié)并保持恒定的工作壓力。操作手：由兩個直線氣缸、轉(zhuǎn)動氣缸、真空吸盤等組成?？梢园凑粘绦虻目刂茰?zhǔn)確的吸取工件，再將工件放到相應(yīng)的位置。I/O接線端口：它是該工作單元與PLC 間進(jìn)行通訊的線路連接端口。接口為：8個輸入端、8個輸出端。（續(xù)）傳感器的分布a 、在機(jī)架上有兩個磁感應(yīng)式接近開關(guān)（1B1、1B2），用于標(biāo)識擺臂的兩個極限位置。b 、在擺臂上有兩個磁感應(yīng)式接近開關(guān)（2B1、2B2），用于標(biāo)識伸縮缸的兩個極限位置。c 、在提取缸的兩個極限位置上裝有兩個磁感應(yīng)式接近開關(guān)（3B1、3B2）如圖3-1，用于檢測提取缸運(yùn)動的

15、兩個極限位置。真空壓力檢測傳感器4B1，用于檢驗真空吸盤是否吸到工件。吸盤內(nèi)腔的負(fù)壓（真空）是靠真空發(fā)生器產(chǎn)生的，而真空發(fā)生器的基本工作原理是引射原理。3.2.2 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)前面所述的MPS 設(shè)備的控制功能可知，本單元應(yīng)該具備“手動單步循環(huán)”、“急?！币约啊皬?fù)位”等控制功能。為了使結(jié)構(gòu)清晰，便于編寫及修改，故在程序設(shè)計時采用結(jié)構(gòu)化的編程方式。這樣的程序結(jié)構(gòu)在STEP7的編程環(huán)境下，表現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)形式是這樣的：主程序?qū)懺贠B1中，子程序?qū)懺贔B 或FC 中，下面就是操作手單元控制程序結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。OB1：主程序，用于實現(xiàn)在指定條件下對各個子程序的調(diào)用。 FC1：自動連續(xù)運(yùn)行控制子程序，用于

16、實現(xiàn)該單元的“自動連續(xù)運(yùn)行”控制功能（由于本設(shè)計任務(wù)內(nèi)容不包括該功能，所以將不給出該功能的控制程序）。FC2：單步運(yùn)行控制子程序，用于實現(xiàn)該單元的“單步調(diào)試運(yùn)行”控制功能。FC3：復(fù)位控制子程序，用于實現(xiàn)該單元的“復(fù)位”控制功能。FC4：急?？刂谱映绦?，用于實現(xiàn)該單元的“急?！笨刂乒δ?。 3.2.3手動單步運(yùn)行控制功能實現(xiàn)1. 工藝流程設(shè)計：每按一下“手動”按鈕，設(shè)備按指定順序運(yùn)行一步。工藝流程圖如圖3-5所示。2. FC2程序流程圖：見圖3-6 、3-6（序1）、3-6（序2）。3. 程序設(shè)計：FC2：“手動單步運(yùn)行”子程序N1：讀取深度信號當(dāng)吸工件時，判斷工件是否合格，合格信號為1，不合格

17、信號為0。圖3-5 工藝流程 圖3-6 FC2程序流程圖 圖3-6 FC2程序流程圖（序1） N2：擺臂擺出（左端）當(dāng)按下“手動”按鈕時，擺臂擺出到左端。 N3：伸縮缸伸出當(dāng)按下“手動”按鈕時，伸縮缸伸出，信號為1。 N4：提取缸下降當(dāng)按下“手動”按鈕時，提取缸下降，信號為1。 N5：吸工件圖3-6 FC2程序流程圖（序2）當(dāng)按下“手動”按鈕時，吸工件，信號為1。 N6：提取缸上升當(dāng)按下“手動”按鈕時，提取缸上升，信號為0。 N7：伸縮缸縮回當(dāng)按下“手動”按鈕時，伸縮缸縮回，信號為1。 N8：擺臂擺回到右端當(dāng)按下“手動”按鈕時，擺臂擺回到右端，信號為1。 N9：若深度合格，伸縮缸伸出 若工件深

18、度合格，當(dāng)按下“手動”按鈕時，伸縮缸伸出，信號為1。 N10：提取缸下降當(dāng)按下“手動”按鈕時，提取缸下降，信號為1。 N11：放工件當(dāng)按下“手動”按鈕時，放下工件，信號為1。 N12：提取缸上升當(dāng)按下“手動”按鈕時，提取缸上升，信號為0。M42.6為上升沿檢測信號。 N13：伸縮缸縮回當(dāng)按下“手動”按鈕時，伸縮缸縮回，信號為1。 N14：復(fù)位伸縮缸縮回信號。伸縮缸縮回信號為0。 N15：若深度不合格，提取缸下降 若工件深度不合格，按下“手動”按鈕，提取缸下降，信號為1。 N16：放工件當(dāng)按下“手動”按鈕時，放下工件，信號為1。 N17：提取缸縮回當(dāng)按下“手動”按鈕時，提取缸上升，信號為0。 3

19、.2.4 復(fù)位控制功能實現(xiàn)FC3：復(fù)位控制子程序，用于實現(xiàn)該單元的復(fù)位控制功能。1. 工藝流程：見圖3-72. 程序流程圖：見圖3-8M41.6：復(fù)位信號； M45.6、M45.7：顏色傳遞信號；M42.0：設(shè)備運(yùn)行的開始標(biāo)志。按下“復(fù)位”按鈕后： 圖3-7 FC3工藝流程3. 程序設(shè)計：FC3：“復(fù)位”子程序N1：提取缸上升當(dāng)按下復(fù)位按鈕時，如果提取缸沒有上升到位，提取缸上升。 M41.6為復(fù)位信號，置1。顏色傳遞信號M45.6、M45.7復(fù)位，信號為0。M42.0復(fù)位，信號為0。鉆孔深度檢測信號復(fù)位，信號為0。M40.6復(fù)位，信號為0 N2：伸縮缸縮回當(dāng)M41.6置1且伸縮缸沒有縮回到位時

20、，伸縮缸縮回，信號為1。 同時把伸縮缸伸出的信號復(fù)位，信號為0。 圖3-8 FC3程序流程圖 N3：擺臂擺回到右端當(dāng)M41.6置1且擺臂沒有擺到右端時，伸縮缸縮回到位后，擺臂擺回到右端，信號為1。同時，把擺臂向左擺出的信號復(fù)位，信號為0。 N4：提取缸下降當(dāng)M41.6置1且吸到工件時，擺臂擺回到右端后，提取缸下降，信號為1。 N5：放工件 N5：當(dāng)M41.6置1，提取缸下降到位后，且吸嘴吸到工件時，延時3秒放下工件，信號為1。當(dāng)M41.6置1，吸嘴吸著氣，但沒有吸到工件時，吸嘴斷氣，即把放工件信號復(fù)位，信號為0。同時，把吸工件的信號復(fù)位，信號為0。 N6：提取缸縮回當(dāng)M41.6置1，放下工件后

21、，提取缸上升，信號為0。 N7：復(fù)位M41.6設(shè)備恢復(fù)到初始狀態(tài)后，復(fù)位M41.6，信號為0。 3.2.5 急?？刂乒δ艿脑O(shè)計與實現(xiàn)FC4：急停控制子程序，用于實現(xiàn)該單元的急?？刂乒δ?。 1. 程序流程圖，見圖3-9所示 Q0.5：向下單元傳送的急停信號 2. 程序設(shè)計 N1：急停 當(dāng)按下急停按鈕I0.5時，輸出被覆值為0，并把急停信號傳給下個單元，信號為1。N2：復(fù)位Q0.5。當(dāng)急停按鈕恢復(fù)以后，Q0.5復(fù)位，信號為0。 圖3-9 FC4程序流程圖4 程序調(diào)試4.1 聯(lián)機(jī)調(diào)試中出現(xiàn)的問題當(dāng)在操作手單元把合格工件傳給成品分裝單元時，工件在放下以后總是不穩(wěn)，甚至從成品分裝單元的工作臺上掉下。程序如下： 經(jīng)過分析可知：放工件之前的動作是提取缸下降，由于工件在下降的過程中有慣性，所以被放下后不穩(wěn)。 4.2 問題的解決