基于PLC的物料分拣操纵器控制系统的设计

VII1.2物料分拣机械手国内外研究现状无论是在国内还是国外，机械手都得到了重视和很多公司的青睐，机械手之所以炙手可热的原因是其能够达到很高程度的自动化，并且也真正的得到了大量的采用。可以看出，很多发达国家掌握的物料分拣系统技术日趋成熟，并且在应用的过程中也变得越来越精密。物料分拣系统最普遍的应用在化妆品制造业，医疗业等行业。目前，世界很多发达的国家在机械手的应用方面达到了成熟的程度，并且运用到了物流方面即自动化和计算机化。德国西门子公司在物流设备系统的研发，自动分拣设备的推陈出新过程中显示出了重要的地位。虽然物料分拣系统具有许多优点，但是对用户的技术要求和经济条件都有着一定程度的要求和限制。因此，在世界上的很多国家的某些行业不运用自动分拣系统是常见的现象。主要原因如下：一是整个系统和设备复杂，需要有大量资本投入，要有可靠的保证。此外，有必要一次投入大量资金，早期资本投资回收相对较慢。很多因素让小型企业没有办法使用整套的物料分拣系统，有能力对物料分拣系统进行投资的只有一些大型制造公司和物流公司。此外，该系统对商品包装也有较高的要求。标准化包装和定制分拣机等二次措施的采用可以使大多数物料可以根据分拣货物的统一包装特点进行自动分拣，难点就在于国家允许的包装标准统一很难和分拣机的定制会是硬件的成本增加，特定产品的分拣系统设计可能会受到多功能性的影响。但在这个需要高效率和快速技术发展的现代社会中，物料分拣系统的发展与创新受到了高度重视。本课题以PLC为基础，对机械手的物料分拣系统进行设计，提高了在实际生产中的效率。汽车制造业是最早的机器人领域，可以达到焊接，涂装，装卸，搬运的目的。在扩展和扩展人类手足脑功能的同时，它还可以替代大量极端环境中的人，例如在，有毒有害，低温高温等恶劣环境中工作;使生产效率得到了很大提高，同时确保产品质量而不是人们单调地重复无聊的工作和劳动。如今，机器人在人们的生活，工业生产等各个方面都有应用，随着技术的提高，功能和性能都有长足的进步。目前，外国的公司占据了国内市场的很大一部分。在全球众多竞争对手中，国内机器人公司面临巨大的竞争压力。从“制造强国”转向“制造强国”是中国目前正在经历的重要发展阶段。追赶国际发展水平，在国际市场有发言权是中国制造业面临的艰巨挑战。当务之急是改善中国的工业自动化。政府在机器人领域的资本投入和支持将为机器人行业的发展注入新鲜血液。如今，机器人领域已经发展到更深层次和更广泛的范围。机器人技术的日趋成熟使机器人能够在很多方便得到应用。从传统的汽车制造领域扩展到非制造领域。为了满足机械手产品应自动化设备更新时的需要，在工业生产中得到了广泛的应用。由于中国物流业起步较晚，物料分拣系统在人工操作中占有很高的比例。中国最早使用自动分拣系统的领域是物流方面。物料分拣系统的使用改变了人工对物料进行分拣的方式，降低了成本，大大减少了繁重的手工劳动，更重要的是提高了分拣操作的准确性。最近几年，我国将物料分拣系统的性能和结构，控制方式不断加以完善和改进，并且把这项技术运用到了工业实际中。设备的主脑和运行通道能够达到相应的控制效果。对于很多同类型产品来说PLC有着很大优势。例如直接驱动执行器或者翻转电磁铁和电磁离合器。简化了编程的同时，也省去了驱动电路，给制造方带来了很多便利。因为程序易于修改，使得控制系统更加可靠和稳定，对于系统的维护也更加容易。机械手的发展趋势：目前在很大范围范围内，机械手领域正在朝向重复高精度，模块化，无给油化，机电一体化的趋势发展，重复高精度能够使机器人的到达位置更加准确，能够实现预测错误，并且减少错误，使得实际操作过程中的误差大大减少，模块化能够使机器人更加灵活，无给油化即达到了无油润滑，改善了环境的同时也能使成本减少，因此在很多领域都得到了应用，机电一体化仍然是典型控制系统的重要组成，提高了控制精度，使得简化了操作流程。1.3机械手概念及基本特点机械手分类：专用机械手实现的动作很简易，作用的对象也很简单，程序固定并且可以实时进行修改，通常用于大批量的生产，自动化程度也很高。通用机械手在中小批量生产中得到了应用，它的控制系统是独立的、可以对程序进行适当的改变、动作也是各式各样的，并且适用于可变换生产品种。大量应用于柔性自动线是由于其触及的范围很广，定位准确，通用于很多领域。机械手作为机器人的主要组成部分，在近几十年得到了很好的发展，机高新兴自动化设备。人们的目的和期望可以借由编写程序来达成，这也是机械手受到广泛采用的主要原因，其独特的结构和能力体现了人的优点和机器的特点，并且将二者很好地结合，人类的适应能力和智慧在其中得到了很好地体现。并且，机械手之所以发展前景广阔，主要是因为机械手在不同的环境中都能够很好地完成相应的工作。手部对机械手来说非常重要，运动机构也是机械手的一部分。机械手的手部有夹持型、托持型和吸附型等，机械手的多种形式是根据作用对象的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而产生的，机械手的第一个重要作用是对物料进行作用。运动机构可以改变被作用对象的位置，造型，达到手部完成各种规定工作的目的，如转动（摆动）、移动或复合运动。自由度关系到机械手的设计过程，运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式被人们命名为自由度。自由度是判断机械手作用的一个重要指标，是能实现众多功能的机械，当编写程序发生改变时，相应动作也会发生改变，也能实现自动化定位控制，在不同环境中工作时可以用来搬运相应环境中的作用对象。当机械手拥有6个自由度时，可以实现抓取工作区域里各个角度和任意方向的目标。越复杂和灵活的机械手则拥有越多的自由度，能实现的功能越多，能有应用的领域也就越多。一般机械手有2～3个自由度。有时机械手会对一些机器起到辅助作用，并且也能够对生产线上的货物进行传送或者对某些工作区的道具进行更换，这种情况下，我们一般不采用单独的控制装置对其作用。有一种机械手被人们称为主从式机械手，用于原子能部门操持危险物品时有些操作装置需要由人直接操纵。机械手是很多实际生产中会经常遇到的一种作用对象。机械手在很多领域都有应用，可以完成如搬运、配置、切割、喷染等等许多重要的工作。而使用PLC对机械手进行控制，并且达到人们想达到的目的时，机械手既提高劳动效率，电路回路也得到简化，得到成本的节约目的。模块化技术的应用，我们大多数采用PLC对系统进行控制，以实现物料分拣的目的。并且以PLC为核心控制的系统要求动作精准定位以达到物料分拣的目的，能够减少工作时长，劳动效率也能大大提升。具有坚固、高速和良好的可操作性。可进行大批量产品的自动化生产效率高、结构简便、造型美观、重量轻是其主要特点，不同生产流程的生产线可以根据不同功能机床与不同功能设备的组合与搭配来实现。1.4PLC的应用现状和发展趋势PLC技术是自动控制技术和其他很多先进技术的有机结合，以中央处理器为核心，它的性能非常可靠、也有着完备的功能、有着不同的搭配方式、容易编程、消耗率也低等优点，PLC在物料分拣机械手系统中的应用非常广泛，是一种占据空间较小，有着稳定的性能，出现的故障很少，动作准确的控制方式。目前，PLC在国内外已广泛应用于众多行业，钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等。使用情况大致可归纳为6类：开关量的逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理、通讯及联网。PLC的发展趋势：（1）产品规模有两个主要的发展方向：大：I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化；小：由整体向小型模块化靠近，把装配产品的灵活性提高，投入的成本得到降低；（2）PLC实现性能良好的闭环控制；（3）使通讯功能得到改善和加强；（4）新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还带有处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计时模块、远程I/O模块等专用化模块；（5）令更多的工具和方法能够对其编程，使其设计功能多样化，编程语言更加标准化，开发出更多种类的编程器及编程软件，或简单或复杂，完善现有的梯形图、功能图、语言表等编程语言，使PLC的指令系统更加高级；（6）一种多设备共同工作的工作方式被我们称作发展容错技术；（7）追求软硬件的标准化。第二章机械手的工作原理2.1设计介绍物料分拣机械是自动化程度很高的机械设施，为了达到货物的精准作用这一功能，电气系统要事先把动作设定好。此次涉及的物料分拣机械手预期能实现的目标如下：控制系统能够根据PLC输入的指令，准确灵活的控制搬运机械手，完成搬运任务；控制系统能够将系统状态显示出来，绿色指示灯能够显示系统的各个部分的运行状态，即正在运行的状态；红色指示灯则展现了规定部件处于的停止状态，停止按钮对应红色指示灯，启动按钮对应绿色指示灯。控制系统针对不同生产任务的要求能够保证搬运机械手完成相应的搬运指令，能够准确完成货物的搬运，保证快速性和准确性兼顾；按下急停按钮，能够立即停止工作，保证了生产的安全性。不同的设计程序，能够使物料分拣机械手实现不同的功能，通过改变程序的控制方法，达到灵活的生产和控制。2.2机械手的工艺过程机械手由电机驱动，电机驱动螺纹丝杆旋转则完成了的它的上升、下降、左移、右移。在示意图2-1中展示了机械手的结构和各部分动作。原点为机械手停止的初始位置，当启动按钮被按下，机械手将下降——加紧工件——上升——右移——顺时针旋转——再下降——放松工件——再上升——逆时针旋转——左移十个动作，这样就将一个工作周期运行完毕。如图2-2所示展示了机械手的运动过生。相应的限位开关控制了机械手的下降、上升、右移、左移、旋转等动作转换，而时间控制了机械手的加紧、放松动作。图2-1机械手的结构和各部分动作示意图图2-2机械手简单工作过程示意图2.3本章小结在工作原理方面，本章进行了介绍，同时阐释了设计介绍和机械手的工作原理方面，在设计介绍中说明了控制系统达到的功能，图2-1展示了机械手的结构和各部分动作示意图，图2-2展示了机械手的简单工作过程。第三章机械手各部分设计方案3.1控制系统的方案设计本设计主要是在现有硬件设备条件下，通过软件编程，对于机械手进行有序的控制，提高搬运工作的准确性、安全性。主要由S7-200PLC来进行控制，通过步进电机，直流减速电机，电磁阀来控制搬运机械手的运动。控制系统结构图如图3－1所示。图3-1机械手控制系统结构图通过对机械控制，机械手能够完成以上的工艺，电动机的转动能够由PLC得控制电机来控制，电动机的转动能够实现电磁阀的开通，关闭，机械手臂的顺时针旋转和逆时针旋转，机械手的上升、下降、左移和右移能够由步进电机的功能来实现，步进电机的运行，电磁阀驱机械手爪的夹紧和放松也是由此驱动。3.2电气控制系统及原理图设计3.2.1机械手电源回路如下图，本电源回路能够将交流220V的电源转换成24V的直流电，整体系统得电的前提是低压断路器QR1的关闭，能够对电路进行保护是熔断器的主要作用，防止过大电流冲击。图中电源G1G2G3分别为PLC电源，步进电机电源和直流减速电动机电源。图3-2机械手电源回路3.2.2机械手输入信号回路机械手系统PLC输入信号回路（一）如下图。SB1是伸出限位开关，接至PLC的I0.0输入。SB2是缩回限位开关，接至PLC的I0.1输入。SB3是上升限位开关，接至PLC的I0.2输入。SB4是夹紧限位开关，接至PLC的I0.3输入。SB5是左旋限位开关，接至PLC的I0.4输入。SB6是右旋限位开关，接至PLC的I0.5输入。图3-3PLC输入信号回路（一）机械手系统PLC输入信号回路（二）如图3-4所示。SB7是移动到位限位开关，接至PLC的I0.7输入。SB8是复位到位限位开关，接至PLC的I1.0输入。SB9是手动左旋开关，接至PLC的I1.1输入。SB10是手动右旋开关，接至PLC的I1.2输入。SB11是手动提升开关，接至PLC的I1.3输入。SB12是手动下降开关，接至PLC的I1.4输入。SB13是手动伸出开关，接至PLC的I1.5输入。图3-4PLC输入信号回路（二）机械手系统PLC输入信号回路（三）如下图。SB14是让机械手缩回的开关，与PLC的I1.6相连接。SB15让手动状态和自动状态相互转换的装置，接至PLC的I1.7输入。SB16是紧急停止开关，接至PLC的I1.8输入。图3-5PLC输入信号回路（三）3.2.3机械手输出信号回路PLC输出信号原理图（一），如图3-6所示。S7-200PLC的Q0.0是高速脉冲输出口，加到横向行走步进驱动器的PLS+，经过PLS-流回S7-200PLC的公共端，构成横向行走步进驱动器的行走脉冲来控制步进电机。S7-200PLC的Q0.1也是高速脉冲输出口，高速脉冲信号经过2千欧的电阻限流，加到纵向升降步进驱动器的PLS+，经过PLS-流回S7-200PLC的公共端，构成纵向升降步进驱动器的升降脉冲来控制步进电机。S7-200PLC的Q0.2是机械手横向行走正反转控制端，通过2千欧的电阻限流，加到横向行走步进驱动器的DIR+，经过DIR-流回S7-200PLC的公共端，构成行走步进驱动器的正驱动和反驱动，将系统的正转和反转进行相互的转化，实现机械手的左移和右移的控制。S7-200PLC的Q0.3是机械手纵向上升、下降的控制端，通过2千欧的电阻限流，加到上升、下降步进驱动器的DIR+，经过DIR-流回S7-200PLC的公共端。构成上升、下降进驱动器的正驱动和反驱动。来实现对上升、下降步进电机正反转的控制，实现机械手的上升、下降的控制。S7-200PLCQ0.4、Q0.5是机械手转台左旋，右旋的控制端。图3-6PLC输出信号回路（一）PLC输出信号原理图（二），如图3-7所示。S7-200PLCQ0.6、Q0.7是机械手手抓抓紧放松控制端。图3-7PLC输出信号回路（二）3.2.4机械手转台控制回路机械手转台控制回路,如下图。当Q0.4为“1”即继电器KM1得电时直流减速电动机左旋。当Q0.5为“1”即继电器KM2得电时直流减速电动机右旋。图3-8机械手转台控制回路3.2.5机械手横向运动控制电路横向步进驱动回路如图3-8所示。主要控制机械手横向行走步进电机。当机械手没有发生行走越位时，继电器KS1线圈得电，继电器KS1常开触点闭合，横向行走步进驱动器就接到直流24V电源上。PLS+接到来自S7-200PLCQ0.0发出的左右行走脉冲和DIR+接到S7-200PLCQ0.2的方向信号时，Q0.2为“1”时，行走步进电机控制机械手右移。Q0.2为“0”时，行走步进电机控制机械手左移。图3-9机械手横向运动控制电路3.2.6机械手纵向运动控制电路纵向步进驱动回路如图3-10所示。主要控制机械手纵向行走步进电机。当机械手没有发生上下越位时，继电器KS2线圈得电，继电器KS2常开触点闭合，上下步进驱动器就接到直流24V电源上。PLS+接到来自S7-200PLCQ0.1发出的上升、下降脉冲和DIR+接到S7-200PLCQ0.3的方向信号时，Q0.3为“1”时，上升、下降步进电机控制机械手上升。Q0.3为“0”时，升降步进电机控制机械手下降。图3-10机械手纵向运动控制电路3.3电器元器件的选型及参数表3-1电器元件明细表序号名称型号数量备注1步进电机驱动器2M41222步进电机2S42Q-29402控制X、Y轴3步进电机驱动器2M86014步进电机2S86Q-30801控制D轴5M系列永磁直流电动机M28-83116制动电阻1Ω17可编程控制器S7-200系列CPU226CN1续表3－18可编程控制器S7-200系列CPU222CN1扩展I/O口9继电器JZ-11510按钮LA10-19启动用绿色停止用红色11旋钮LA18-22X212行程开关KW-76限位开关13槽型光电开关EE-SX670A214限流电阻2kΩ6步进驱动器中15熔断器RL1-15616熔断器RL1-15417低压断路器DZ15-40/1118开关电源YL-00324V6A23.3.1步进电机的选型步进电机能够接收由数字控制的信号，或者说电脉冲信号，步进电机有一个很大的优点是能够将成本进行降低，相比于传统的直流伺服系统，我们在设计时不需要对系统进行很大变化。随着控制系统数字化程度的加深，步进电机在实际生产中能够发挥有很多效用。改变角位移量的方法主要是改变脉冲个数，从而实现精准定位；同时为了控制电机转动的速度和加速度，可以把脉冲频率改变，这样便可达到对速度进行调节的目的。步进电机在实际的生产应用中有着很多的方便之处，所以步进电机作为系统之中很重要的一部分，得到了很多公司的青睐并且加以采用，步进电机也是自动控制系统中的重要组成部分。下面我们将对步进电机的技术参数、细分驱动以及本课题用到的步进电机精确定位进行详细的讨论。3.3.2步进电机（2S42Q-02940）的参数表3-2步进电机技术参数型号2S86Q-3080步距角1.8°±5%相电流（A）4.0保持扭矩（Nm）1.5阻尼扭矩（Nm）0.07相电阻（Ω）0.95±10%相电感（mH）3.4±20%电机惯量0.46电机长度L（mm）76引线数量4绝缘等级B耐压等级300VAC1秒最大轴向负载（N）24最大径向负载（N）84工作环境温度-10℃～45℃表面温升最高80℃（两相接通额定电流）绝缘阻抗最小100MΩ，500VDC重量（kg）1.0引出线长度（mm）300±5本文采用两相步进驱动器来完成的步进驱动，由于PLC无法直接驱动步进电机，所以采用了步进电机驱动器，经过驱动器进行控制或者细分后的信号能够使运动更加平稳。如图3-10展示了步进电机驱动器的主要构成,主要组成部分一般是环形分配器、信号放大与处理、推动级、功率放大器等，为了使电机和运动过程更加稳定，我们在系统中设置了保护电路，设置保护电路是达到相应控制目的的重要一步。控制器和计算机软件的组合使用实现步进电机想达到的功能。软件控制环形分配器，电机的速度也是由软件调节的。计算机数字控制系统能够看到软件对脉冲进行配置。脉冲分配器能够接收脉冲信号,并按照系统要求变换成相应的状态的信号，或者开通或者关断。信号放大与处理器能够将系统导入的信号加以处理，变成符合状态的信号并且送入相应装置。而有些较小的信号则会被放大，并且送入到功率放大器中，这一过程是推动级发挥了作用。推动级能够使电平发生变化，功率放大器直接与电机的各相绕组连接，这样便可以收到来自推动级的信号。同时也对绕组承受的电压和电流进行控制。在系统中设置具有保护作用的电路，能够实现功率放大器的稳定作用，使系统能够达到安全稳定的运行装态，防止电流过大，电压过大对系统和电路的运行产生影响和安全隐患。环形分配器环形分配器信号处理与放大环形分配器功率放大器保护图3-11步进驱动器主要构成3.3.3直流减速电机表3-3永磁直流电动机技术参数型号额定电压（V）额定转速(r/min)额定转矩(mN·m)额定电流≤(A)额定功率(W)M28-83124300050.171.543.3.4继电器继电器是作为能够达到控制目的的器件，根据外界电流，电压，时间等一系列的信号来控制具有较小电流即5V以下的电器。继电器触点与控制电路相接触，并且能够显示各式各样的控制信号。具体的技术参数如下表所示。表3-4JZ-11技术参数型号吸引线圈额定电压（V）吸引线圈消耗功率（W）触点额定电流（A）触点数量JZ-11直流12、24、48、110、220直流7.55动合动断6244263.3.5无触点行程开关光电开关具有体型不大，功能稳定，检测值精密和反应迅速等优点,因为物体能够是利用物体对光线产生影响，即遮挡，吸收，反射，同时也能根据物体的外部特征不通过接触物料进行检测，对行程，速度，大小，宽度进行控制和辨别，在人们的日常生活中或者其他的很多领域也得到了广泛应用，例如自动门，成为自动控制系统和生产线中不可缺少的重要部分。光电器件是光电开关中最重要的组成部分，并且作为新型产品为人们所熟知，它能够将光线的强弱进行转化，并且其传感系统由发光二信号极管，光敏电阻，光电晶体管，光电耦合器等构成。3.3.6行程开关行程开关用来检测分拣工件的位置，也能够进行发出指令来使其方向发生改变，也能将其称为位置开关。行程开关能够分为机械结构的接触式行程开关和电气结构的非接触式接近开关，这是按照按结构分。在达到对回路的相应控制目的的同时，接触式行程开关将物体移动进而接触行程开关的操作头使行程开关的常开触电导通和常闭触电关闭。在本课题中选用KW-7型行程开关。3.3.7低压熔断器由于课题的要求，对配电电路，电动机或其他用电设备进行不持续给电作用，线路转换。并且低压熔断器又称自动开关，低压熔断器能够很好地进行灭弧，因此在系统中占据必不可少的地位，自动开关也能起到刀开关的目的，熔断器，热继电器和欠电压继电器的组合能够起到欠电压及短路保护用。表3-5低压断路器的技术参数型号额定电压壳架电流脱扣器额定电流DZ15-40/1220/380406、10、16、20、25、32、403.3.8控制按钮控制按钮是控制继电器，电气连锁电路或者接触器的重要元件，能够达到对各种运动进行控制的目的，是一种短时接通或断开小电流电路的手动主流电器。按钮有很多形式，是为了达到不同的控制或操作要求，目前有较多应用的有旋转式，指示灯式，紧急式，揿钮式，带锁式等。不同的按钮有不同的作用，为了便于区分这些按，人们将按钮赋予了不同的颜色用以区分，防止在应用中的混淆而产生操作错误的结果。本课题中选用8个LA10-1控制按钮。3.3.9熔断器熔断器在电路中处于串联位置，当电路发生短路或严重过载时，因为流过熔体的电流过大会产生较大热量，此时热量会使熔体熔断进而自动分断电路，是低压电路及电动机控制电路中一种最简单而有效地短路保护电器，应用十分广泛。表3-6RL1-15型熔断器技术参数型号额定电压UN/V熔断器额定电流IN/A熔体额定电流INR/ARL1-15直流440152,4,6,103.3.10扩展模块为了实现对于物料更加准确的分类，我们在系统中设置了光电检测装置即光电传感器，利对物体的位置，形状和标志符号等进行无接触检测。并且设置了压力传感器，以达到将物料进行完好无损的分拣的目的。由于CPU的输入输出口有限，我们采用了EM221扩展模块，以实现检测装置与主电路的良好连接。3.3.11触摸屏本设计中我们采用了西门子人机界面触摸屏面板TP177A，此面板操作简便容易，减少成本，在很多领域都有着广泛应用。3.4本章小结第三章所介绍的是机械手各部分设计方案，包括机械手控制方案的设计，电气控制系统原理图设计，控制系统原理图设计中包含电源回路，输入信号回路，输出信号回路，转台控制回路，横向运动控制电路，纵向运动控制电路的设计，同时对电器元器件的选型及参数，步进电机的选型，步进电机的参数，直流减速机，继电器，无触点行程开关，低压熔断器，控制按钮，熔断器也进行了介绍。第四章机械手控制系统用户程序设计4.1设计任务及要求通过机器人搬运将材料从生产线运输到装配单元，以便于装配。机器人处理的材料重量为：200g-2000g。该机器人具有180度旋转和伸缩功能，其速度范围为5cm-10cm/s。整个控制系统可以自动或手动循环。手动操作调试：当手动//自动开关I1.7为“0”时，进入手动操作模式，分别按下左键，右旋，升降，下降，伸出和缩回6个按钮，实现相应功能。自动运行调试：当手动//自动开关I1.7为“1”时，进入自动运行模式，下降-延伸-夹紧-上升-右转-下降-放松-缩回-上升-左-处理行动是顺序实施的。如果在自动操作期间按下紧急停止按钮I2.0，则机器人立即停止。4.2PLC工作原理及I/O点数分配PLC工作原理：继电器控制装置使用硬逻辑并联运行模式。换句话说，如果继电器线圈打开或关闭，继电器的常开触点或常闭触点将同时响应继电器的控制下。但是，PLC中的CPU使用在顺序逻辑控制下扫描用户程序的方法。如果输出绕组或逻辑绕组打开或关闭，将不会立即响应，触点仅在扫描时响应。为了减小他们之间的距离，并考虑到继电器控制各种触点的驱动时间一般在100ms以上，且PLC的驱动时间一直低于100ms，PLC通常使用扫描技术。因此，对于I/O响应要求不是很高的那些位置，结果之间没有很大差别。两种操作模式，RUN和TOP。表4-1I/O点数分配表控制信号信号名称地址编码输入信号伸限I0.0缩限I0.1上限I0.2计数I0.3夹紧I0.4旋转左限I0.5旋转右限I0.6移动到位I0.7移动复位I1.0左旋I1.1右旋I1.2提升I1.3下降I1.4伸出I1.5缩回I1.6手动/自动I1.7急停I2.0输出信号横向脉冲Q0.0纵向脉冲Q0.1横向方向（1为左移/0为右移）Q0.2纵向方向（1为上升/0为下降）Q0.3右旋KM5Q0.4左旋KM6Q0.5放松HV1Q0.6夹紧HV2Q0.74.3设计系统工作流程根据机械手设计要求和想要实现的功能，如图4-1所示为机械手控制系统流程图。图4-1机械手控制系统流程图4.4编程设计思路根据以上的控制系统流程图，我们采用了顺序控制的方法来进行编程。在设计过程中我们遇到的困难是如何用PLC对步进电机进行控制。因为步进电机是对脉冲信号进行控制，并且能够将脉冲信号转化成相应的角位移或者直线位移。因此，想要控制步进电机，我们可以采用PLC的PLUS命令。西门子S7-200系列PLC的PLUS命令可以通过三种方法生成，即由软件向导自动生成的PTO程序。西门子提供的技术支持MAP库程序并使用EM253模块。这三种方法都提供的绝对位置和相对位置都比较精准。脉冲串（PTO）提供方波输出（50%占空比），用户控制周期和脉冲数。脉冲宽度可调制（PWM）能提供连续、变占空比输出，用户控制周期和脉冲宽度。4.4.1（PTO）功能在完成向导配置后，增加如图4-2所示子程序。可用这些子程序来编写程序完成定位应用。图4-2PTO库函数列表4.4.2“MAPSERV”指令库的功能块打开STEP7Micro/WIN，新建项目，在项目树下可看到如图4-3所示的库函数列表。图4-3“MAPSERV”指令库函数列表然后，插入Q0_x_CTRL子程序并使用SM0.0作为EN输入的输入，以确保在每个扫描周期执行子程序。调用Q0_x_MoveVelocity子程序使轴以恒定的速度和方向运行。您可以调用Q0_x_Stop子例程来停止。如果要实现相对运动或绝对运动，则调用Q0_x_MoveRelative子程序和Q0_x_MoveAbsolute子程序。在绝对运动之前，必须调用Q0_x_Home子程序来找到参考点，这样每个点都可以对应一个绝对位置值，绝对运动是可行的。此外，Q0_x_LoadPos子程序可以改变脉冲计数器的当前位置值。Scale_EU_Pulse子程序和Scale_Pulse_EU子程序可以将工程单位值和脉冲值相互转换，便于编程。4.4.3使用EM253定位模块在向导指引下完成EM253位控模块配置后向STEP7Micro/WIN中添加如图4-4所示子程序。图4-4EM253定位模块库函数列表调用EM253定位子程序实现定位时，首先调用子程序POSx_DIS启用伺服驱动器，POSx_CTRL启用位置控制功能。然后，调用POSx_MAN子程序手动控制电机旋转，调用POSx_RSEEK查找参数，并调用POSx_GOTO移动到指定位置。PTO模式和EM253是向导辅助的，因此使用相对简单。MAP_SERV库函数使用较低的硬件成本来实现更多功能，但需要编写更多程序。PTO模式硬件成本低，功能实现简单，但功能很少。EM253的硬件成本相对较高，功能实现简单，功能最多。根据系统的需要，硬件设备和编程难度，我们使用MAP库指令实现步进电机的PLUS控制。在解决了步进电机的PLC控制问题后，我们需要考虑具体的脉冲数计算问题。4.5模拟调试4.5.1程序说明我们可以通过很多方式对PLC。的控制程序进行编写，通常使用的方法有：图形编程，经验编程和计算机辅助设计编程。图形方法就是通过画图来表达PLC程序。常用的有梯形图法，逻辑流程图法，时间序列流程图法和步序控制法。在自动操作过程中，由于机器人的控制可以分为一个步骤，因此更容易实现逐步方法。在手动操作过程中，程序简洁明了，输入和输出之间的因果关系链清晰，因此采用逻辑流程图方法实现。最后，在S7-200PLC编程软件“STEP7-Micro/WIN32”3.2版编程软件上执行输入编程和调试。接下来，简要介绍该程序的功能。手动运行该过程：手动执行机器人刀塔的左手和右手旋转，并且联锁确保刀塔不执行左手和右手动作。该程序如图4-5所示。图4-5左右旋转控制程序地址位VD200表示最小运动速度，VD204表示最大运动速度，VD208表示步进电机从启动到匀速所需的加速度，程序如图4－6所示图4-6赋值程序Q0.0CTRL模块为MAP库指令中对横向脉冲的控制模块。该块用于传递全局参数，每个扫描周期都需要被调用。程序如图4-7所示图4-7Q0.0CTRL模块程序Q0.0STOP模块为MAP库指令中的停止模块，用来保护电机安全不会出现过冲或者飞车的问题。当伸出限位开关或者缩回限位开关得到信号后立即停止机械手的横向移动。程序如图4－8所示。图4-8Q0.0STOP模块图Q0.0MoveVelocity模块是MAP库指令中的速度模块。它只能根据给定的速度和方向以恒定速度运行。按伸展或缩进按钮以恒定速度水平移动机器人。速度结束是移动速度。当扩展按钮设置为“1”时，步进电机向前旋转，即机器人伸出。图4-9Q0.0MoveVelocity模块程序自动运行：以上电后的第一个动作为例，说明如何在自动操作期间实现下降。机器人的自动下降过程在状态S0.0中实现。地址位V140.1确定机器人纵向移动的方向。S0.0上电后，Q0.1MoveRelative模块开始工作100ms。NUMPLUSE结束是与移动距离对应的脉冲数。速度结束是移动速度。当方向端将地址位V140.1设置为“1”时，步进电机向前旋转，即机器人降低。该程序如图4-10所示。图4-10自动运行下降程序当走完给定脉冲数以后完成为V145.1置“1”,之后跳入状态S0.1，即伸出功能。同时复位地址位和计数器。程序如图4－11所示图4-11自动运行下降跳转程序状态S0.1（伸出）：将方向地址位V140.2置“1”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度横向移动实现伸出功能。走完给定距离以后完成为V145.2置“1”之后跳转到状态S0.2，即夹紧功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S0.2（夹紧）：实现夹紧功能，在完成夹紧动作之后跳转到S0.3，即上升功能。状态S0.3（上升）：将方向地址位V140.1置“0”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度纵向移动实现上升功能。走完给定距离以后完成为V145.1置“1”之后跳转到状态S0.4，即右旋功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S0.4（右旋）：实现右旋功能。由于每计一个数转台旋转6度，因此转180度需要计数30次。在计数器计数到30后跳转到状态S0.5，即下降功能，同时停止旋转复位中间继电器。状态S0.5(下降)：将方向地址位V140.1置“1”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度纵向移动实现下降功能。走完给定距离以后完成为V145.1置“1”之后跳转到状态S0.6，即放松功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S0.6（放松）：实现放松功能，在完成放松动作之后跳转到S0.7，即缩回功能。状态S0.7（缩回）：将方向地址位V140.2置“0”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度横向移动实现缩回功能。走完给定距离以后完成为V145.2置“1”之后跳转到状态S1.0，即上升功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S1.0(上升)：将方向地址位V140.1置“0”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度纵向移动实现上升功能。走完给定距离以后完成为V145.1置“1”之后跳转到状态S1.1，即左旋功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S1.1（左旋）：实现右旋功能。由于每计一个数转台旋转6度，因此转180度需要计数30次。在计数器计数到30后停止旋转功能。在自动运行过程中若按下急停按钮I2.0，机械手立即停止工作。若没有按下急停按钮在完成左旋功能后自动回到初始状态，进行第二个周期的自动运行。4.5.2故障及其解决方案首先，将之前编写完成的梯形图放置到STEP-7-Micro/WIN编程软件的软件中，然后单击运行并修改其指示的错误。最终运行正确后，将其下载到可编程控制仪表。在第二;按照设计要求连接线路，确定误差后的过程。在开始调试后，发现手动控制基本满足设计要求。但是，在自动操作期间无法实现整个工作流程，需要进行纠正。在这种情况下，我采取了以下场景：方案一：在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，没有发现问题，因此我对之前的步骤重新操作，以判断之前的接线过程是否存在问题，结果出现的问题与之前如出一辙。因此我否定了此方案。方案二：仔细检查自动控制所在的子程序是否存在语法错误或逻辑错误。在确认没有语法错误后，我使用实时监控方法逐步检查子程序。最后，我发现在上升和下降两个动作的编程中，我没有使用互锁，这导致上升和下降的两个动作同时通过，因此整个动作过程无法完成。在发现问题后，我及时重新编程了上下动作，添加了互锁功能。这样，通过使用第二方案实现了机械手的整个运动过程。设计总结现如今自动化程度