一种搬运机械手的PLC控制系统设计

教学单位 学生学号 本科毕业论文（设计）题 目_学生姓名 专业名称 指导教师 年 月 日i一种搬运机械手的 PLC 控制系统设计摘要：在太阳能电池组件生产过程中需要一种运用真空吸盘结构的搬运机械手，以解决生产过程中所存在的工作效率低和工人劳动强度过大的问题。该机械手的控制系统是由 PLC（可编程控制器） 、伺服电机驱动气缸构成的控制系统。系统 PLC 程序采取模块化思想进行设计，并利用组态软件对控制面板进行组态，通过串行端口建立 PLC 与控制面板之间的通讯，实现 PLC 与控制面板对搬运机械手的联合控制。应用结果表明，搬运机械手及其控制系统具有较好的交互性与灵活性且机械手自动运行过程稳定可靠达到了预期的设计目的。关键词：PLC ；伺服控制；机械手；控制面板；太阳能电池组件A kind of transport manipulator PLC control system designAbstract：A kind of transport manipulator which uses vacuum cups structure is required in the solar cell module production to solve the problem of the existence of the low work efficiency and the large physical labor intensity.The control system is set up based on PLC and driving cylinder by servo motor. Modulation is adopted for the design of PLC program and the control panel is configured by the configuration software.the result shows that the transport manipulator and its control system have good interaction and flexibility and automatic operation process is stable and reliable, finally, reaches the desired design purpose.Key Words： PLC; servo control; manipulator; control panel; solar cell moduleI目 录1 绪论 .11.1 国内外机械手的研究现状及其意义 .11.2 研究思路与主要内容 .12 搬运机械手整体机械结构设计 .22.1 搬运机械手的结构要求 .22.2 搬运机械手的结构设计 .23 机械手 PLC 控制系统设计 .33.1 机械手控制的基本工艺和控制要求 .33.2 控制面板的设计 .53.3 机械手 PLC 控制的硬件设计 .53.3.1 PLC 的选型 .63.3.2 输入/输出端子地址分配 .63.3.3 电气元件的选择 .73.3.4 控制系统的外部接线图 .103.4 程序设计 .113.4.1 PLC 的程序设计思想 .113.4.2 系统的程序流程图 .113.4.3 机械手控制系统主程序 .143.4.4 自动模式下步进控制子程序 .153.4.5 自动模式下单周期控制子程序 .163.4.6 自动模式下连续控制子程序 .183.4.7 手动操作控制子系统 .194 结论 .20参考文献 .21谢 辞 .2211 绪论1.1 国内外机械手的研究现状及其意义国内机械的主流运用方向由于在许多方面，如性能，品种都不能满足当代工业生产发展的需要，所以国内主要是逐步增大机械手运用的范围。最主要的是发展铸造、热处理方向的机械手，以此来降低人工劳动强度，提高作业环境条件。在采用这些专用机械手的过程中，还要发展相应的通用机械手，并且要提高机械手运行速度，减少重进，能够做到准确定位，以便更好地发挥机械手的作用 1。除此之外，还要加大力度研究伺服型、记忆再现型和拥有触觉、视觉性能的机械手，同时考虑与计算机并用，逐渐变成机械制造系统中一个基本单元。由于国外在机械手运用方面起步比较早，发展也相当不错，所以整体来看要比国内要成熟许多。海外重点研制的是具备某种智能的机械手，该种机械手能够根据环境中某种因素的变化迅速做出反应，当运动过程中与拟定的路线位置有偏差时，能够自行检测到并且可以快速更正，现在着重研究的是机械手的视觉和触觉功能。截至目前已经取得了一定的成绩 2。现代工业生产中，如果只靠人力将间断的生产工序连接起来，不仅浪费时间而且效率也不高。而且人力劳动没有百分之百的安全保障，有时也会发生失误或其他意外情况，并且人力劳动强度大，不需要多久就会感到劳动疲劳。我们可以明显看出来这样会严重降低生产效率并且严重影响工业自动化的实现。机械手的发展和运用就很好的解决了人力劳动存在的问题，在解决问题的同时，也为工业自动化生产提供了许多方便，机械手使用的意义如下：第一，能够提高劳动效率，减少工业生产中的生产成本，提高工业自动化以及机械化程度。第二，能够在工作环境比较恶劣的工作场合完成人工直接操作所根本不可能完成的任务，不仅能够改善劳动环境条件，还能有效避免发生人身事故。同时，在简单但又需要从复操作作业中，机械手能够避免因为由于人的操作疲劳而造成的人生事故。第三，可以节约人力资源，便于有节奏的生产，而且机械手比人工有更加持久的工作时间 3。21.2 研究思路与主要内容基于 PLC 控制的机械手在太阳能电池组件生产过程中的运用的研究，包括两个部分的主要内容，既有对机械手机械结构的设计，也包含了 PLC 控制系统的设计，通过将设计的两个部分完美的连接起来才能达到精确的工业控制要求。本文进行了搬运机械整体手机械部分的设计，包括搬运机械手结构要求以及搬运机械手结构设计两个步骤。根据所要达到的控制要求主要完成了太阳能电池组件搬运机械手的 PLC 控制系统的设计。PLC 控制系统设计有下面四个大的方面：第一，分析太阳能电池组件搬运机械手控制系统。其中包含了两个内容，有控制的基本工艺和操作面板设计。第二，根据控制系统要求进行太阳能电池组件搬运机械手控制系统的硬件设计。包含 PLC 的类型选定，PLC 输入输出端的地址分配，控制系统的外部接线图。第三，进行程序设计。运用模块化思想将程序设计分为主程序设计和子程序设计，从主程序的运行中按模式要求找到相应的子程序。第四，程序模拟调试及应用 4。2 搬运机械手整体机械结构设计2.1 搬运机械手的结构要求太阳能电池组件搬运机械手是太阳能电池组件自动化生产线的重要部分，它是将太阳能电池组件送到下一生产工作单元。太阳能电池板的生产由于没有统一的规格，所以随着电池板的体积，重量，尺寸的不同，相应的机械搬运手也应该做相应的调整，能够适合不同的规格的电池板的搬运。电池板的尺寸一般也比较大，重量也比较重，根据作业时的搬运路线，故需要跨度比较大的搬运装置，并且需要足够的抓紧力来完成机械手应有的功能。在工业生产者，搬运机械手的灵活性、精确性以及不受环境变化而保持良好运作性能也应满足机械手结构要求。2.2 搬运机械手的结构设计由于太阳能电池板表面比较光滑，体积比较大，故不适合用于夹持机构的机械手，根据电池板的特点，选用真空吸盘结构的吸紧装置比较适合。真空吸3盘机械手由 15 个真空吸盘组成，分成 3 行 5 列，能均匀吸住电池板，使受力更加均匀，使工件在搬运过程更加平稳。该吸盘装置可以根据太阳能电池板尺寸的不同来调节吸盘间的距离，以此来满足不同的工作要求。机械手的水平移动，垂直运动以及工件的吸紧均由电磁阀驱动气缸来完成，相应的电磁阀线圈得电后，高压气路驱动气缸使机械手作相应的运动 5。3 机械手 PLC 控制系统设计3.1 机械手控制的基本工艺和控制要求图 1 机械手动作示意图如图 1 所示，是太阳能电池板真空吸盘搬运机械手的动作示意图，其主要作用是将电池板从 A 处搬往 B 处。真空吸盘搬运机械手的水平移动和垂直移动是通过由两个拥有双线圈的电磁阀驱动气缸来完成。机械手上升相对应的电磁阀线圈为 YV1，下降相对应的线圈为 YV2，左行相对应的线圈为 YV3 以及右行相对应得线圈为 YV4。机械手的动作是根据相对应的电磁阀线圈得电后实现的，直到例外一个线圈得电前，机械手都将保持原有动作 6。真空吸盘机械手的的真空表吸和真空表放动作由只含有一个 YV5 线圈的两位电磁阀驱动气缸来完成。线圈 YV5 断电的时候就表吸电池板，线圈得电的时候就表放电池板，此4控制思想可以防止突然断电时电池板跌落。机械手设有上下和左右四个限位开关 SQ1，SQ2 和 SQ3 ，SQ4。真空吸盘装置通过一定的延时来真空表吸住电池板，它没有限位开关。机械手原点的设计原则是除真空表放的线圈 YV5 通电外，其余线圈都断电且机械手位于最左上位是即为机械手的原位。图 2 机械手动作过程搬运机械手的工作过程如图 2 所示，其具体的工作过程可以分为八步。按下启动按钮，下降电磁阀线圈 YV2 得电，搬运机械手从原点开始下落。下落到位后，会碰到下限位开关，此时下降电磁阀线圈失电，机械手中止下降。与此同时真空表吸电磁阀线圈得电，真空吸盘吸紧住电池板，等待数秒，保证电池板能够可靠真空吸紧。等到工件完全吸紧后，上升电磁阀线圈 YV1 得电，搬运机械手开始上升。回升到位时，会碰到上限位开关，此时上升电磁阀线圈失电，机械手中止上升。与此同时右移电磁阀线圈 YV4 得电，搬运机械手右移。等到碰到右限位开关时，此时右移电磁阀线圈失电，机械手中止右移。此时通过光电开关检测工作台上有无工件，若检测到此时工作台上没有5工件时，那么光电开关会接通，下降电磁阀线圈 YV2 得电，搬运机械手下降。下等到碰到下限位开关，此时下降电磁阀线圈失电，机械手中止下降。与此同时真空表吸电磁阀线圈失电，真空吸盘真空表放电池板，等待数秒，保证电池板可靠放开。完全放开后，上升电磁阀线圈 YV1 得电，搬运机械手开始上升。回升到位时，会碰到上限位开关，此时上升电磁阀线圈失电，机械手中止上升。与此同时左移电磁阀线圈 YV3 得电，搬运机械手左移。等到碰到左限位开关时，此时左移电磁阀线圈失电，机械手中止左移。到此为止，机械手就完成一个周期的八步操作 8。3.2 控制面板的设计搬运机械手有两种操作模式，分别为自动模式和手动模式。自动模式下又分为步进、单周期和连续操作三种不同形式。手动操作模式所谓手动操作就是运用按钮对机械手每一步的运动进行独自的控制。其表现为面板上设有上升/下降/左移/右移/真空表吸/真空表放的按钮，当需要其有相对应的运动时，按下对应的按钮达到操作目的停止即可。自动操作模式步进操作形式：按下某步的启动按钮后，机械手进行动作，相应的动作完成后自动停止。单周期操作形式：按一下启动按钮后，机械手从原点开始完成一个周期八个步骤的操作，然后自动停止。连续操作形式：按一下启动按钮，机械手从原点开始不间断的循环操作，直到按下停止按钮，机械手完成此周期内动作回到原点才会自动停止。图 3 是 PLC 控制面板布置图。面板上有以上介绍的各种模式的开关或按钮，可以依据不同任务选择不同模式。同时控制面板上还设有原点指示灯，电源指示灯以及电源和急停的按钮 9。6图 3 控制面板布置图3.3 机械手 PLC 控制的硬件设计西门子的 SIMATIC S7-200 系列 PLC 具有强大的功能，具有非常高的性价比，这种小型的可编程控制器适用于任何场合的检测及控制的自动化。S7-200拥有很高的可靠性，非常丰富的指令集和内置集成功能，易于操作，而且拓展模块及其丰富。本文搬运机械手控制设计中需要用到自动化检测，编程要运用模块化的编程思想等，S7-200 系列在这些方面都有不俗的表现，并且也适用于这种复杂的工业自动化控制领域，所以太阳能电池板机械搬运手选用的 PLC 类型是 S7-20010。3.3.1 PLC 的选型通过分析系统的输入输出量，所设计的系统具有 18 个输入点和 6 个输出点，因为 PLC 的选型要满足 I/O 点数和储存器容量有冗余量以及通讯功能要强的要求，考虑到这些设计因素，本设计选用的是德国西门子公司的 S7-200 CPU226。这种 PLC 拥有 24 个输入点 16 个输出点，可连续 7 个扩展模块，可扩展到 248 路数字量输入输出点或者 35 路模拟量输入输出点。该 PLC 其他重要参数也非常好，用于较高要求的系统控制完全满足。所以经过仔细考虑，该PLC 可以完全应用于本设计所需要的控制系统 11。表 3.1 S7-200CPU226 的主要参数输入点数 输出点数 扩展模拟量 存储空间 最大负载电流24 16 35-248 13K 1000mA由上表可以看出，S7-200 CPU226 的输入输出点有冗余，最大负载电流71000mA 和其他功能都能满足控制要求，所以控制系统不需要添加其他扩展模块。表 3.1 所示的是 PLC 的主要参数，形状图如图 4 所示。图 4 西门子公司 S7-200 的形状图3.3.2 输入/输出端子地址分配机械手控制系统的输入输出点具体分