搬运工件机械手控制系统设计.doc

某搬运工件机械手控制系统设计作者姓名：xxx专业名称：机械工程及自动化指导教师：xxxx 副教授35 / 41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。 论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。采用了电液一体化的设计方案，液压缸实现了机械手对工件的抓放，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EM253 控制系统AbstractCarrying 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 system目录摘 要IAbstractII目录III前言11系统主要部件选择51.1 液压缸的选择51.2 阀门的选择71.3 行程开关的选择81.4 接近开关的选择81.5 驱动电机的选择92 控制系统的硬件设计102.1 控制系统功能102.2 控制系统硬件组成112.2.1 位控模块112.2.2 控制系统硬件结构122.3 操作面板的设计122.4 PLC系统设计142.5 运动控制系统的实现172.6 控制系统电路设计203 系统软件的设计与实现223.1 系统工作方式223.2 程序设计233.2.1 主程序设计233.2.2 初始化子程序设计233.2.3 复位子程序与报警程序设计243.2.4 手动运行子程序设计253.2.5 半自动运行子程序263.2.6 自动子程序设计28总结30致谢32参考文献33附件1 系统配件清单34附件2 液压线路简图35前言 工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。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。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。本次的课题是搬运工件机械手系统设计 初始参数与设计要求: 1、抓重：0100N；2、自由度：3个；3、机械部部运动参数：运动名称符 号行程范围（mm）水 平X0-2000垂 直Z0-2004、手指夹持范围：棒料，60mm120mm，长度100450mm；5、定位方式：定位模块EM253；6、驱动方式：步进电机、液压（中、低压系统）；7、定位精度：3mm；8、控制方式：自动、半自动、手动 。机械手抓重为100N，按工业机械手的分类，属于中小型，按用途分为专用机械手，其特点是具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样，专用机械手的工作范围小、定位精度高、小巧灵活的特点。本课题的研究主要是将一定尺寸的棒料从一个自动生产线搬运到另一个自动生产线的控制系统。机械手部采用液压缸驱动完成夹取、放松工件，其液压线路图见附录2。机械手臂的上升、下降和机座的水平移动都用步进电机驱动。两生产线的布置和具体位置参数，如图0.1所示。图0.1 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，其运动由带有自锁功能的液压缸完成；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、液压缸等回到原位，液压表显示正常。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；液压缸收缩夹紧工件，当液压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；液压缸伸长放开工件，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0.2所示。图0.2机械手的工艺流程1系统主要部件选择搬运工件机械手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。本机械手采用电液结合的驱动方式。其中，机械手的升降和平移都采用交流伺服电机驱动，手部的开合采用液压缸驱动。1.1 液压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，如图1.1所示为液压缸。图1.1 液压缸 手指对工件的夹紧力可按公式计算： （1-1）式中 安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估（其中a是重力方向的最大上升加速度） ，g=9.8 m/s ；运载时工件最大上升速度；系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s；方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；G被抓取工件所受重力（N）。计算：设a=40mm,b=120mm,=35；机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。1. 设=1.6 =102 mm/s =0.5s =1.02 =0.5 根据公式，将已知条件带入： =1.61.020.5300=244.8N根据驱动力公式得：2. =244.8=986N 取3. =1160N4. 确定液压缸的直径D （1-2）选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸压力油工作压力P=39.210Pa则 D=0.0224m根据液压缸内径系列表（JB826-66），选取液压缸内径为：D=32mm，根据装配关系，外径为50mm。则活塞杆直径为：d=320.5=16mm，选取d=16mm因此，液压杆外径选50mm，活塞选16mm。1.2 阀门的选择阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。1.换向阀是控制油液的通断和流动方向，控制执行元件的启动、变速、停止和换向。由于控制方便，选择三位四通电磁换向阀，如图1.2所示。图1.2 三位四通电磁换向阀图1.3直动型溢流阀2.溢流阀是在液压设备中主要起定压溢流作用，稳压，系统卸荷和安全保护作用，如图1.3所示。1.3 行程开关的选择行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。 因此，行程开关选用施耐德公司XCRA15型号的行程开关。1.4 接近开关的选择接近开关是一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号。 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1.4所示。图1.4 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。1.5 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。1.步进电机的选择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。2.三相异步电机的选择=102 mm/s P=39.210Pa d=16mm流量：Q=r2V (1-3)液压泵的功率：P=pQ=200w 查表可选用效率为0.8，一般电机的超载功率为25%。所以电机功率为0.35kw。因此，选择电机为YC8012型三相异步电机。2 控制系统的硬件设计 控制系统是搬运工件机械手的重要组成部分，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。2.1 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液压系统进行控制。 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液压控制功能。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。 2.2 控制系统硬件组成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。2.2.1 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。2.2.2 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，手部的抓放由液压缸来驱动，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，液压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2-1所示。图2.1 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。2.3 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2.2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。图2.2 操作面板示意图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。2.4 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。 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。 1PLC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。2PLC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： 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PLC的I/O接线图，如图2.3所示 。图2.3 PLC的I/O配置图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接通至液压缸控制阀控制液压缸的伸缩。2.5 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2.4所示。图2.4 伺服驱动器X5接口位置控制模式控制信号接线图EM253与标准驱动器的接线图，如图2.5所示。图2.5 定位模块EM253与标准驱动器接线图垂直运动的伺服驱动器与EM253接线图如图2.6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。 图2.6 伺服驱动器与定位模块EM253接线图2.6 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2.7所示：图2.7 控制系统电源电路图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。3 系统软件的设计与实现3.1 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。 3.2 程序设计3.2.1 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3.1所示。 图3.1主程序框图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。3.2.2 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3.2所示。图3.2 初始化子程序框图3.2.3 复位子程序与报警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3.3所示。图3.3 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3.4所示。图3.4伺服电机运行回零子程序梯形图 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。3.2.4 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3.5所示。图3-5 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3.6所示。图3.6 伺服电机运行子程序梯形图3.2.5 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，如图3.7所示。图3.7半自动运行子程序框3.2.6 自动子程序设计 自动子程序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3.8所示。图3.8自动运行程序框图总结论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。总的来说，此次毕业实习及毕业设计完成了任务书规定的各项要求，在学习PLC、机电一体化等内容的基础上，进一步学习并实践了PLC的控制运用、EM253位控模块的安装运用、液压系统的运用、步进电机伺服驱动器运用等多种实用技术，成功设计出一个拥有基本功能的搬运工件机械手的控制系统。既学习了不少新的知识和技术，并且由亲身体验软件设计、硬件安装的过程，个人觉得收获颇丰当然，这次设计的搬运工件机械手控制系统还只是一个初级产品，还可以从以下几方面进一步完善：（1）将机械手的操作面板和PLC模块合并。目前系统中操作面板和PLC模块分离，不光占用大片面积，而且操作不方便。将二者合并，并采用触屏操作面板，将很好的解决这一问题。（2）机械手功能可进一步完善和扩充。目前该机械手只能实现一个平面的不同高度的传送带上工件的搬运，而不能实现多个平面的操作。若果其平台以及腕部能够旋转将增加机械手的实用功能，将可实现任何角度的工件抓取。最后敬请各位专家、老师和同学对论文和今后的研究工作提出宝贵的指导意见和建议。致谢 光阴荏苒，岁月如梭，在成都理工大学工程技术学院的四年学习时间即将过去。在漫长的人生旅程中，四年时间并不算长，但对我而言，是磨砺青春、挥洒书生意气的四年，也是承受师恩、增长才干、提高学识的四年。在此，谨对培育我的母校、教导我的老师、帮助我的同学们致予最诚挚的谢意和敬意。 成都理工大学工程技术学院，她雄厚的师资力量、悠久的文化积淀、笃定的治学理念和深远的民族情怀在人们心里早已享有盛名，也是我心仪已久，决意投在门下的重要原因。在成都理工大学工程技术学院学习的四年里，我亲身体会到各位老师和前辈们严谨求实的治学态度、渊博卓著的学识才华和传道授业、以身作则、高尚无私的敬业精神，已经超脱了知识传授和文化交流的范