基于PLC的搬运机械手控制系统设计.doc

郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 基PLC的搬运机械手 控制系统设计 学生姓名 专业班级 自动化200 级 班 学 号 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 完成时间 2011年06月 05日 郑州轻工业学院电气信息工程学院本科毕业设计任务书题目 基于PLC的搬运机械手控制系统设计 专业 自动化 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容：l 功能要求：本机械手可以实现曲轴在两条生产线之间的自动搬运，另外还可以通过操作面板来实现机械手复位、自动、半自动、手动操作。l 硬件要求：整个系统的硬件部分包括控制器PLC，定位模块，伺服驱动器，伺服电机，操作面板等。l 上述内容为基本要求，可按照自己的理解增加功能使之更完善。基本要求：l 明确毕业设计任务，复习与查阅有关资料。l 按要求对设计进行简要说明，总体设计方案，设计电路，使用计算机绘图，画出详细的电路接线图，列出元器件清单。电路图要求工整、清楚、正确，并标明管脚。l 软件编程必须有流程图，程序必须加注释，各程序段的开始要注明该段功能和作用。l 要求使用A4打印稿，不少于2万字。格式遵照学校规定。 主要参考资料：l 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略J.机器人技术与应用,2001,76(4):11-16.l 张波.多功能上下料用机械手液压系统J.液压与气动,2002,8(2):31-32.l 李允文.工业机械手设计M.北京:机械工业出版社,1996.l 史国生.PLC在机械手步进控制中的应用J.中国工控信息网,2005.1l 朱春波.PLC控制的气动上下料机械手J.液压气动与密封,1999,21-24.l 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2009.l 刘轩,王丽伟.机械手的PLC控制J.机床电器,2006,34-49.完 成 期 限： 2011.03 2011.06指导教师签名： 专业负责人签名： 2011年 1 月 13 日基于PLC的搬运机械手控制系统设计基于PLC的搬运机械手控制系统设计摘 要 搬运机械手是企业自动化生产线中重要设备之一，其性能的优劣直接影响到产品的产量和质量。因此，设计性能优良的搬运机械手控制系统对于提高产品产量和质量具有十分重要的意义。 本文针对完成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。采用了电气一体化的设计方案，使用带自锁功能的气缸实现了机械手对工件的抓放和保证了在断气状态下机械手状态的保持，通过伺服电机来实现机械手在水平、竖直方向快速精确的移动。采用SIEMENS公司的SIMATIC S7-200系列PLC作为核心控制器，外扩定位模块EM253模块对伺服电机进行精确的定位控制，从硬件和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点分配和应用程序的设计，实现了机械手的上电初始化、零点复位、故障报警、手动运行、半自动运行和在无人看守时的自动运行。最终达到设计要求，完成搬运目的。关键词 搬运机械手 PLC 定位模块EM2253 控制系统CARRY MANIPULATOR CONTROL SYSTEM DESIGN BASED ON PLCABSTRACTCarrying manipulator is one of the important equipment in the enterprise automatic production line,whose performance quality directly affect product quality and production. Therefore, the design of excellent properties carrying manipulator control system to improve product quality and production is very important .This paper aimed at designing the carrying manipulator handling mission control system which achieved the crankshaft between two production lines. Adopting electrical integration design, we use a locking function of the cylinder to realize the manipulator grasp of the workpiece in put and guarantee the expired condition, through state of manipulator keep servo motor move quickly and accurately in level and the vertical direction. Adopt SIEMENS company SIMATIC S7-200 PLC as the core controller, the outside enlarge EM253 performs accurate positioning control in module module of servo motor, designing from two aspects of hardware and software, completed in handling mechanical hand PLC hardware connection, I/O point distribution and application of the design, realizing the manipulator on electricity initialization, zero reset, fault alarm, manual operation, semi-automatic operation and the automatic operation when no keeping watch. Finally achived the design requirements and completed handling purpose. KEY WORDS carrying manipulator PLC Position Module EM253 control systemII目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 引言11.2 搬运机械手的应用简况11.3 机械手的应用意义22 系统设计42.1 系统结构及流程42.2 系统主要部件选择62.2.1 气缸的选择72.2.2 阀门的选择72.2.3 行程开关的选择72.2.4 接近开关的选择72.2.5 驱动电机的选择83控制系统的硬件设计93.1 控制系统功能93.2 控制系统硬件结构93.2.1 位控模块103.2.3 控制系统硬件结构103.3 操作面板的设计113.4 PLC系统设计133.4.1 PLC的I/O分配表133.4.2 PLC的I/O接线图133.5 运动控制系统的实现163.6 控制系统电路设计184 系统软件的设计与实现204.1 系统工作方式204.2 程序设计204.2.1 主程序设计204.2.2 初始化子程序设计214.2.3 复位子程序设计214.2.4 报警子程序设计224.2.5 手动运行子程序设计224.2.6 半自动运行子程序234.2.7 自动子程序设计245 结束语26致 谢27参考文献28附录1 29附录2 30附录3 33基于PLC的搬运机械手控制系统设计1 绪论1.1 引言 机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转、平移等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。 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和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 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。1.2 搬运机械手的应用简况 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业、铁路部门中搬运机械手主要应用于以下几方面： （1）热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 （2）冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 （3）拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.3 机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： （1）可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 （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。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减少人力，便于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。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。2 系统设计2.1 系统结构及流程 本课题的研究主要是将空调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。两生产线的布置和具体位置参数如图2-1所示：图2-1 机械系统整体布局示意图 机械手主要由手部、腕部、升降部、滑动部、机座和控制箱，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和相关控制器件安装于控制箱内，通过电缆和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，升降运动和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和料架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和抓取，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和掉电时能够自锁，保持当前的状态。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。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和零点复位，能够在机械手故障时进行检修。 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。 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，滑台返回到初始位置，电机2停止。一个工作流程结束。机械手的工艺流程如图2-2所示。2.2 系统主要部件选择 工业机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑成本因素的影响以及所能达到的技术水平。驱动元件是伺服系统的重要组成部分，是系统的执行元件，它的作用是把驱动控制线路的电信号转换为机械运动。整个伺服系统的调速性能、动态特性、运动精度等均与驱动元件有密切关系。常用的驱动方式主要有液压驱动、电气压驱动和电液驱动三种基本类型。 结合各种驱动类型的特点和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，机械手的升降和平移都采用交流伺服电机驱动，手部的开合采用气缸驱动。图2-2 机械手工艺流程图2.2.1 气缸的选择 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和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。并配有夹紧装置和行程开关。如图2-3所示为气缸。活塞直径D50mm，活塞杆直径d16mm，行程长度L100mm，驱动压力p=6bar=6105Pa。受力分析如图2-3所示。图2-3 FESTO公司的气缸2.2.2 阀门的选择 阀门是为气缸提供的，气缸配备两个一位单通阀门，为了保证在断气的状态下不影响气缸内部的气压，所以选用气开阀，根据经验选用SMC公司的VZ110气开阀。 2.2.3 行程开关的选择 行程开关选用施耐德公司XCRA15型号的行程开关2.2.4 接近开关的选择 为了提高系统的可靠性和动作执行的准确性，选择OMRON公司的E2E-X5ME2型接近开关。它的具体参数如下： （1）检测距离：5mm （2）电源电压：DC1224V （3）消耗电流：小于13mA （4）检测物体：磁性物体 （5）响应时间：0.31ms （6）输出方式：NPN输出 接近开关接线图如图2-4所示。图2-4 接近开关接线图 E2E-X5ME2型接近开关为三线的NPN输出型开关，输出三线分别为棕线、黑线、蓝线，其中在棕线和黑线之间接负载，本系统中棕线接在PLC的24V电源正极，蓝线接在输入端点上。2.2.5 驱动电机的选择 直流伺服电机由于存在机械换向器和电刷，降低了电机运行的可靠性，加重了维护和保养负担。而交流异步电机虽然结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便，但调速问题一直没有得到经济合理的解决。近十年来，由于调频等调速方法发展很快，使其调速范围和成本与宽调速直流伺服电机接近，因此，交流伺服电机以其优良的控制性能和高可靠性在数控系统中得到了越来越广泛的应用。 为了方便设计和维修，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和驱动器。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）。 驱动器型号：MDDDT5540。额定转矩：，最大转矩：，额定转速：，最大转速：，电机惯量：，脉冲数：，分辨率：10000，线数：5。3控制系统的硬件设计 控制系统是工业机器人的重要组成部分，它的机能就像人的神经中枢，是保证机械手在搬运过程中安全可靠实用的关键，也是提高搬运效率、延长机械手使用寿命、降低故障率的重要环节。作为指导机械手按要求合理动作的指挥机构，它的设计是机械手设计中的核心和基础，决定了机械手的控制性能的好坏。3.1 控制系统功能 控制是机器人技术中的一个关键问题，而控制系统的性能则是机器人发展水平一个重要标志。 本课题研究的机械手的控制特点。 （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和一个气动系统进行控制。 （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逆运算等。 （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。 本课题控制系统主要是实现以下几个控制功能： （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、速度和加速度控制等。 （2）气动控制功能。该功能主要是指手部抓放的运动控制，实现手部的开合和自锁等。 （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，实现机械手的检测和故障修复功能。 （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、资源共享和协调工作等。 3.2 控制系统硬件结构 机器人控制系统硬件结构要围绕着如何更好地实现机器人的控制功能而设计和选择。以控制器的核心计算机的分布方式来看，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。 在核心控制器的选择上可以有多种方案，目前在机电一体化设计中主要有三种：单片机、工业控制计算机、可编程控制器（PLC）。随着计算机系统的不断发展，也出现了运动控制卡和逻辑控制器等新型控制硬件。考虑到控制功能简单、控制逻辑复杂，经过各方面分析比较，本课题采用西门子S7-200 PLC作为控制器，并配有相应的控制模块，来实现整个机械手的控制功能。3.2.1 位控模块 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，用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制。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。 位控模块可提供单轴开环移动控制所需要的功能和性能，位控模块的特性如下： （1）提供高速控制从每秒12个脉冲至每秒200000个脉冲； （2）支持急停S曲线或线性的加速减速功能； （3）提供可组态的测量系统，既可以使用工程单位（如英寸或厘米）也可以使用脉冲数； （4）提供可组态的backlash补偿； （5）支持绝对、相对和手动的位控方式； （6）提供连续操作； （7）提供多达25组的移动包络Profile，每组最多可有4种速度； （8）提供4种不同的参考点寻找模式，每种模式都可对起始的寻找方向和最终的接近方向进行选择； （9）提供可拆御的现场接线端子便于安装和拆御。3.2.3 控制系统硬件结构 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模块和位控模块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和生产线输入。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。图3-1 控制系统硬件结构图 本系统主要由PLC主控单元、伺服驱动器、继电器、各类传感器和控制面板等组成。 主控制单元采用模块式结构，各功能模块独立封装，安装在机架和导轨上，它由PLC模块、I/O模块、两个位控模块和触摸终端组成，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。3.3 操作面板的设计 根据工件生产和搬运的特点和控制要求，机械手的控制按钮和指示灯分布如图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 在机械手工作过程中，当出现抓取不牢、搬运不稳、下放不到位、冲击过大或运动时超过极限位置以及其它异常现象而不得不停止工作时，按下急停按钮，使所有运动停止，并保持原来状态，直至重新启动系统。可以减少和避免事故，减少因故障引起的损失。 （2）电源开关 在机械手工作前，首先要打开电源开关，给PLC、驱动器、伺服电机及照明设施供电，触摸终端由PLC进行供电，为系统启动做准备。在机械手工作完成后，将电源开关打到“关”的状态，将PLC、驱动器、伺服电机及照明设施与电源切断，保护机械手系统的安全。 （3）工作模式选择开关 当正常生产时将机械手调到自动模式，机械手会自动运行。当机械手出现故障或者出现报警时可以将机械手调到手动模式，机械手可通过点动调整。 （4）启动按钮 当系统上电且机械手处于自动模式下，按下启动按钮，机械手开始按照指令进行搬运操作。 （5）试灯/报警清除按钮 当系统安装完成后，未与生产线连接前，要对系统的工作情况进行试验。此时，要按动此按钮对所有指示灯进行检测，保证与生产线连接后的工作安全。系统在工作过程中由于某种原因出现报警，当故障排除后，需按此按钮对报警进行清除，保证系统继续正常工作。 （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。 （7）复位按钮 当系统安装完成或故障排除后，需要将机械手返回到工作原点时，按动此按钮。图3-2 操作面板示意图3.4 PLC系统设计 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输出的扩展模块和两个EM253位控模块。3.4.1 PLC的I/O分配表 本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。 （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。 （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。 PLC输入、输出分配表如表1所示。3.4.2 PLC的I/O接线图 PLC的I/O接线图如图3-3所示。 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。3.5 运动控制系统的实现 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。本系统中，为了防止电源共地干扰，现场信号都通过继电器隔离输出，而操作面板上信号则直接接入PLC的I/O口。 运动控制系统由伺服控制系统和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。伺服驱动器X5的I/O接口如图3-4所示。 EM253与标准驱动器的接线图如图3-5所示。 垂直运动的伺服驱动器与EM253接线图如图3-6所示，机械手的升降/平移正负极限开关分别接到相应EM253的LM+、LM-接口处和伺服驱动器的CCWL、CWL接口，原点开关接到相应EM253的RPS（参考点开关）处。伺服驱动器的输入口伺服使能（SRV-ON）、报警清除（A-CLR）和输出口伺服报警（ALM）、定位完成（COIN）与PLC相应接口连接。伺服驱动器中提供了两组脉冲指令输入接口，一种为差分电路专用的脉冲串接口，一种为普通的脉冲串指令接口，为提高信号传输的可靠性，利用伺服驱动器的差分电路专用脉冲串接口从EM253接出脉冲信号。表1 PLC的I/O地址分配表输入点分配输出点分配地址电气元件功能说明地址电气元件功能说明I0.0SF1启动按钮Q0.0PG1报警灯I0.1SF2伺服报警清除Q0.1PG2上升指示灯I0.2SF3原点复位Q0.2PG3下降指示灯I0.3SF4-1自动工作方式Q0.3PG4前进指示灯I0.4SF4-2手动工作方式Q0.4PG5后退指示灯I0.5SF4-3半自动工作方式Q0.5PG6夹紧指示灯I0.6SF5机械手上升Q0.6PG7松开指示灯I0.7SF6机械手下降Q0.7KF1上升完成I1.0SF7机械手前进Q1.0KF2下降完成I1.1SF8机械手后退Q1.1KF3前进完成I1.2SF9机械手夹紧Q1.2KF4后退完成I1.3SF10机械手松开Q1.3KF5加紧完成I1.4SF11非常停止Q1.4KF6松开完成I1.5SF12停止Q1.5KF7伺服1电源接通I1.6BG1上升极限Q1.6KF8伺服2电源接通I1.7BG2升降原点Q1.7KF9伺服报警解除I2.0BG3下降极限Q2.0KF10伺服1运行I2.1BG4后退极限Q2.1KF11伺服2运行I2.2BG5进退原点Q2.2KF12伺服1停止I2.3BG6前进极限Q2.3KF13伺服2停止I2.4BG7料架1有工件Q2.4KF14夹紧工件I2.5BG8料架2无工件Q2.5KF15松开工件I2.6KF1伺服1报警I2.7KF2伺服2报警I3.0KF3伺服1定位完成I3.1KF4伺服2定位完成图3-3PLC的I/O配置图图3-4 伺服驱动器X5接口位置控制模式控制信号接线图 图3-5 定位模块EM253与标准驱动器接线图图3-6 伺服驱动器与定位模块EM253接线图3.6 控制系统电路设计 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 电源电路主要给两台伺服电机，伺服驱动器和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模块和伺服驱动器的控制系统供电。图3-7 控制系统电源电路图4 系统软件的设计与实现4.1 系统工作方式 该机械手的工作方式有四种，分别为找原点、自动、手动和半自动。 复位操作主要用于在工作开始前或故障排除后，要将机械手的各个部位移动至原位，同时也是各部件运动的基准。 自动工作方式是机械手接收生产线指令，通过总控制台的控制进行生产作业。控制面板上工作方式选择开关处于“自动”位时，系统处于联线状态，只接受来自自动生产线上的指令信号。 手动工作方式主要是用于总控制台出现故障、调试或其它需要手动操作。处于“手动”位时，系统处于离线状态，不接受自动生产线上的信号，只接收控制面板上的指令信号。处于手动状态，且各部位处于原位，各电机处于停止状态时，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。 半自动工作方式应用较少，主要用于故障整修时为了与主控制台分离，而还要通过自动来完成试操作的场合，所以半自动方式也是不可缺少的。处于“半自动”位时，不接受自动生产线上的控制信号，只接收两生产线上有无工件的检测信号。处于此方式，且各部位处于原位，各电机处于停止状态时，按下控制面板上的启动按钮，可进入单循环操作，此时，除急停信号和检测信号外，其他输入信号无效，一个工作循环完成后，自动退出单循环状态。 4.2 程序设计4.2.1 主程序设计 机械手的控制程序分为主程序和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和开关，其余用PLC内部继电器。采用STEP 7 MicroWIN编程软件进行程序梯形图的编制。根据要求设计出搬运机械手的主程序框图，如图4-1所示。 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。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。图4-1主程序框图4.2.2 初始化子程序设计 初始化子程序用来完成系统参数的初始化工作，PLC首次上电时执行初始化子程序。 在系统首次上电后等待30秒开始将系统的各状态位置位，清零步进脉冲，并给定位模块赋初始值。初始化子程序框图如图4-2所示。图4-2 初始化子程序框图4.2.3 复位子程序设计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，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。复位子程序框图如图4-3所示。图4-3 系统复位子程序框图 机械手在寻找原点是调用S7-200PLC定位模块EM253的回零子程序，定义机械手在寻找原点时两个伺服电机都正转，沿正方向寻找。EM253回零子程序梯形图如图4-4所示：图4-4伺服电机运行回零子程序梯形图4.2.4 报警子程序设计 报警子程序则用来完成故障显示和初步诊断功能，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。4.2.5 手动运行子程序设计 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。 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。系统手动子程序框图如图4-5所示。图4-5 手动运行子程序框图 机械手在运动时靠伺服电机驱动，伺服电机的正反转靠伺服定位模块EM253控制，在实现机械手升降进退时调用定位模块EM253的运行子程序，实现伺服已固定的速度行驶固定的距离。EM253运行子程序如图4-6所示：图4-6 伺服电机运行子程序梯形图4.2.6 半自动运行子程序 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，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。图4-7半自动运行子程序框图4.2.7 自动子程序设计 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，放下工件等待2秒机械手回原点，在循环操作，知道停机。系统自动子程序框图如图4-8所示：图4-8 自动运行子程序框图5 结束语 本文主要从机械手的驱动系统、控制系统等几个方面对曲轴搬运机械手进行了深入、详细、系统地研究。通过研究，实现了对生产线上有无工件的检测，实现了机械手的自动、半自动和手动操作功能，满足了降低劳动强度和提高生产效率的要求。在提高整个生产线的自动化水平以及柔性制造方面起到了不可替代的作用。 在驱动系统设计方面，首先对机械手进行了简单的运动分析；然后对驱动系统进行了方案研究和细致的分析，完成了主要驱动部件的选型。在控制系统的设计方面。首先对机器人的控制系统进行了分析，深入研究了控制系统的硬件结构，绘制了硬件结构图；然后根据操作需要，设计了控制面板，确定了接线方式并研究了运动控制的实现方法；最后对PLC及其功能模块进行了选型，并对I/O接口进行了配置和对PLC程序、位控模块程序等进行了编制。致 谢 本论文是在郑安平教授的悉心指导下完成的，毕业设计每取得的一点进步和成果无不倾注导师大量的心血。导师广博的见识、敏捷的思维、宽待他人的品格和悉心指导的责任心给我诸多启迪，并将不断地鞭策和激励我在今后的道路上努力拼搏。在此，谨向我的导师致以由衷的谢意。 同时也衷心感谢在大学期间教过我的各科老师，是你们的悉心教导才有我学业的进步和顺利的毕业。也感谢在一起愉快的度过大学生涯的的同学，感谢你们在学习和生活上给予我的帮助。参考文献1 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略J.机器人技术与应用,2001,76(4):11-16.2 张波.多功能上下料用机械手液压系统J.液压与气动,2002,8(2):31-32.3 李允文.工业机械手设计M.北京:机械工业出版社,1996.4 张建民.工业机械人M.北京:北京理工大学出版社,19925 史国生.PLC在机械手步进控制中的应用J.中国工控信息网,2005.16 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2009.7 朱春波.PLC控制的气动上下料机械手J.液压气动与密封,1999,21-24.8 王勤.计算机控制技术M.京:东南大学出版社,2003.9 张万忠.可编程控制器入门与应用实例(西门子S7-200系列)M.北京:中国电力出版社,2005. 10 刘轩,王丽伟.机械手的PLC控制J.机床电器,2006,34-49.11 张铁异,何国金,黄振峰.基于PLC控制的混合型气动机械手的设计与实现J.液压与气动, 2008, 18(9):68.12 郭艳萍.基于PLC 的工业机械手控制系统J.仪表技术与传感器,2007,9(9):31-32.13 ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometryJ. 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