PLC的立体仓库机械手.doc

作者：田伟 论文题目：基于PLC的立体仓库机械手控制系统设计摘 要随着自动化水平的提高，自动控制技术已广泛的运用于立体仓库领域中，满足了人们对速度、精度、高度、重复存取和搬运等方面的要求，使仓库整体效益和运行的应变能力有很大的提高。机械手在立体仓库货物存取和搬运过程中起关键作用，同时可编程控制器（PLC）以其功能强、可靠性高、使用灵活方便和易于编程等一系列的优点在工业控制中运用广泛。本文主要研究基于PLC的立体仓库机械手的控制系统，主要是对机械手本身和其控制系统软、硬件进行设计，控制机械手在水平、垂直、左右方向的运行，完成出入货辊道输送带与堆垛机库台之间货物传递。关键词：立体仓库 机械手 PLC 控制系统AbstractWith the development of automation level, automatic control technology has been used in the field of stereoscopic warehouse. It meets peoples demands for speed, accuracy, height, repeated access and handling, etc. Additionally, it improves the emergency ability of warehouses whole benefit and operation. Manipulator plays an important role in the process of accessing and handling of stereoscopic warehouse. At the same time, PLC has advantages of strong function, high reliability, flexible use and easy to program, etc. It has been extensive used in industry control. This thesis is based on the stereoscopic warehouse manipulator control system. The main contents of it includes：the design of manipulator itself, hardware and software design of its control system, the operation design of manipulator in the horizontal, vertical, left and right direction, accomplishing the goods delivery between roller conveyor and stacker.Keywords: stereoscopic warehouse manipulator PLC control system目 录引 言1第1章 绪论21.1本课题研究背景21.2本课题的提出和意义31.3本课题发展现状和未来趋势31.4本课题研究的主要工作4第2章 立体仓库机械手系统模型设计62.1自动化立体仓库与机械手概况62.1.1自动化立体仓库概况62.1.2机械手概况62.2立体仓库机械手模型设计72.2.1立体仓库实验系统设计72.2.2立体仓库机械手模型设计82.2.3本系统研究的目标要求9第3章 机械手整体设计方案103.1机械手的基本原理103.1.1机械手的基本构成103.1.2机械手的分类123.2机械手系统功能设计133.2.1系统对机械手的基本要求133.2.1系统各部分的选择和设计.14第4章 机械手控制系统硬件设计164.1机械手控制系统描述164.2控制系统的动作过程和控制方式174.2.1控制系统的动作过程174.2.2控制系统的工作时序图194.2.3控制系统的控制方式194.3控制系统操作面板的设计204.4系统控制器PLC的选型214.5控制系统输入、输出设计21第5章 机械手控制系统软件设计255.1西门子软件介绍255.2控制系统程序设计255.2.1整体程序结构255.2.2原点复位操作程序265.2.3单操作程序275.2.4自动操作程序275.3控制系统调试部分29第6章 总结31参考文献32致谢33附录一：主程序34附录二：原点复位程序36附录三：手动操作程序39附录四：自动操作程序40引 言在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。各种自动化设备、控制系统正逐步替代或减轻人的工作，随着工业现代化的进一步发展，自动化技术已用于各行各业，已经成为现代企业中的重要支柱，甚至可以作为衡量一个国家发展水平的一项重要指标。物流行业更是如此，在物流设备领域中不断涌现出新的自动化设备，如工业机械手、堆垛机（机械手的变异）、四向托盘、高架叉车、自动分拣机、自动引导搬运车、集装箱等，极大的减轻了人们的劳动强度，提高了物流运作效率和服务质量，降低了物流成本，在物流作业中起着重要作用，极大的促进了物流的快速发展。自动化立体仓库正是融合了众多先进自动化技术和设备的典型代表，其中以工业机械手、堆垛机和仓库控制系统技术尤为突出。仓库控制系统是指在不直接进行人工处理的情况下自动地存储或取出物料的系统，它功能强大、土地利用率高、存取效率高、准确率高，广泛地运用于机械制造等其他行业的物流系统中。完成这一存取过程的机械手和堆垛机是该系统的最关键部份，机械手主要完成出入货辊道输送带与堆垛机库台之间货物传递，又堆垛机完成存取工作。本课题就是以可编程控制器（PLC）为切入点，着重讨论如何设计自动化立体仓库中的机械手控制系统。本设计采用德国西门子公司生产的S7-200系列PLC，利用所学可编程技术，结合相应的硬件设计装置，完成对机械手各种动作的控制，并能根据需要随时更改机械手动作方式。在整个设计过程中各种方案的敲定与实施均是在指导老师的帮助下，通过实验完成并确定的。设计机械手要求可在空间抓放物体，且动作灵活多样，适用于可变换货物的中小批量自动化搬运。再加上研究的机械手采用的是德国西门子S7-200系列PLC控制，是一种按预先设定的程序进行工件搬运的自动化装置，所以所设计机械手可用于立体仓库完成搬运作业，也可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并能够实现通过更改相关控制程序来满足对机械手各种动作变化的控制。第1章 绪论1.1本课题研究背景 随着世界经济的快速发展和现代科学技术的进步，物流产业作为国民经济中一个新兴的服务部门，正在全球范围内迅速发展。在国际上，物流产业被认为是国民经济发展的动脉和基础产业，其已经发展成为衡量一个国家现代化程度和综合国力的重要标志之一。从我国目前经济发展状况来看，随着市场经济的深入，单纯依赖商流赚取利润的机会愈来愈少。因此，各企业逐渐将目光转向素有“第三利润源”之称的物流行业，纷纷投资兴建不同类型的流通中心、物流中心或者配送中心，想以此形成新的经济增长点。而自动化技术在企业物流系统中的作用是显而易见的，其发展过程中融入了更多的自动化技术。自动化立体仓库就是最典型的代表，在发达国家作为计算机集成制造系统(CIMS)的重要生产技术基础之一的自动化立体仓库技术早在20世纪80年代末期就已发展得比较成熟。但是，由于自动化立体仓库投资较高，受经济条件的制约，在我国起步较晚，当然这些年来也取得了许多成果。尤其是随着现代网络信息技术的日益完善和高速发展，自动化信息技术受到了全球的普遍重视和关注，电子商务思想日益为企业所接受。伴随电子商务时代的到来，给全球物流带来了新的发展趋势。世界各国都在大力发展电子商务，并在不断地把传统物流和电子商务进行整合，以便提高物流水平。我国也不例外，新的形势逼迫我国物流企业必须尽快适应电子商务的要求，同时也要求我们必须大力发展与物流管理及自动化立体仓库控制相关的技术。近几年我国计算机自动控制技术的飞速发展，为我国自动化立体仓库的发展提供了重要的技术支持。自动化立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等优势；而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用。同时，工业机械手（以下简称机械手）技术也在近年的自动控制领域中迅速发展，随着立体仓库的发展，机械手在立体仓库的作用也愈来愈重要。其中以随立体仓库的出现而发展起来的专用机械手（现称堆垛机）尤为突出，将机械手技术、自动控制技术合理的用于现代自动化立体仓库中，可以使人们真正享受到现代自动控制技术应用于企业物流管理的益处。1.2本课题的提出和意义国内外其它行业采用自动化立体仓库的情况己经充分证明，使用自动化立体仓库能够产生巨大的社会效益和经济效益。在自动化立体仓库、机械手技术、自动控制技术等飞速发展的背景下，怎样使自动控制技术和机械手技术在自动化立体仓库中发挥更大的作用，是现在各国自动化行业和物流行业需要着重研究的问题，而机械手技术就是需要研究的非常重要的自动化技术之一。但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一，不能进行在线管理。因此，本课题选择研究并设计自动化立体仓库中机械手部分的控制，将利用PLC的相关知识对这部分系统做分析和设计，并实现多种控制方式。机械手不只是在自动化立体仓库中起关键作用，在其他各行各业中也有重要的运用，所以对机械手的研究有着重要的意义和作用。机械手作为近代自动控制领域中发展起来的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。机械手在各行业中具有的积极作用正逐渐被人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配；其四，它的结构和控制更加灵活，能够快速的通过更改它的结构和控制程序，来满足实际中的各种变化要求。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，降低生产的成本，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。1.3本课题发展现状和未来趋势 自动化立体仓库系统（Antomated Storage and Retrieval System，AS/RS）是指在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统，它的主体是自动化立体仓库。我国在自动化立体仓库的研究和应用方面起步较早，1963年有了第一台1.25t桥式堆垛机，1974年建成了我国第一座立体仓库，1977年有了第一台采用计算机进行控制和数据处理的整体式结构自动化立体仓库。从此以后，自动化立体仓库在我国得到迅速发展，我国目前己经建成数百座各种类型的自动化仓库，多数是中小型自动仓库。但是我国的自动化立体仓库技术和发达国家还有很大的差距。 而我国机械手的研究与开发始于20世纪70年代，1972年我国有了第一台机械手，随之全国各省都开始研制和应用机械手，我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围，在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。特别是近几年，机械手技术在我国取得了飞速的发展，引起了各大企业的足够重视，将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。其实，机械手在各先进工业国家早就得到了足够的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。 就长远来看，机械手技术将更多的用于其他各行业，而以机械手为主的一系列自动化设备，以及更先进的自动化技术将在各行各业中起更加重要的作用。随着现代工业生产的发展，各种控制系统将陆续产生，对机械手和自动化仓库的要求也会越来越高，当然生产效率和也会随之进一步提高。个人认为，人工智能技术的发展必将推动机械手技术和自动化立体仓库技术向更高阶段及智能自动化方向发展。机械手也会变异成很多种不同的自动化设备，但是有一点是一样的，那就是都会在相应的自动化控制系统中起到前所未有的作用。1.4本课题研究的主要工作随着机械手技术的迅猛发展、其应用领域的不断深化，这也就要求机械手控制系统要有更强的可靠性、更高的灵活性和更好的操作方便性，同时要求降低工业生产成本，所以开发经济性强的机械手系统就更具有现实意义。本文利用所学知识，结合当代机械手的发展，本论文主要研究和讨论以下几个方面的问题：1、本设计课题研究的主要内容：（1）对立体仓库机械手整体方案进行分析、设计在对自动化立体仓库作简单介绍的基础上，分析立体仓库机械手整体的方案，并根据自己的想法设计出简单的模型，采用系统的观点，立足全局，对机械手各功能模块进行合理划分，优化系统配置，综合分析各部分特点，实现功能互补。然后提出设计思路，包括传动方式、控制方式、自由度等，在综合分析的基础上，整体规划机械手的整体结构形式、传动系统、控制功能，并对其他控制功能模块进行系统的分析，从而选定最优方案。（2）对机械手控制系统的设计本部分是本论文研究和设计重点内容，分为软件和硬件两部分。硬件部分研究系统的构成、硬件之间的连接以及对控制系统的分析。软件部分采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，本课题将要选取合适的PLC型号，并介绍PLC编程软件基本特点；根据机械手的不同工作方式的流程图编制出不同的PLC程序，并画出程序流程图和梯形图；并能根据需要随时改动程序，来控制机械手不同的动作顺序。2、本设计课题拟完成的任务（1）所设计的机械手，要求结构简单、经济，并具有一定代表性。（2）机械手为通用机械手，根据需要选取和设计机械手，包括其手臂的坐标型式和自由度、手指的结构，以及驱动方式、控制方式等，要求使用面更广，不能只限于立体仓库。（3）设计机械手控制系统，包括控制系统的硬件、软件设计，完成对控制器程序设计并作相关说明。第2章 立体仓库机械手系统模型设计2.1自动化立体仓库与机械手概况2.1.1自动化立体仓库概况自动化立体仓库又称自动存取系统(AS/RS)，是一种采用高层货架储存货物，用起重、装卸、运输机械设备进行货物出库和入库作业的仓库。这类仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物，所以称为“立体仓库”，也有的称为“高架仓库”；又因为此类仓库是有计算机进行管理和控制，不必人工搬运即可实现存取工作，故称为“自动化立体仓库”。目前，立体仓库主要有以下几种形式：升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循环式、剐形水平循环式等等。立体仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理设施等部分组成。其中搬运设备（这里指机械手）是自动化仓库中的重要设备，它们一般由电力或者气动驱动，通过手动或自动控制，实现把货物从一处搬运到另一处。本课题设计机械手就是实现入货辊道输送带与堆垛机库台之间货物传递。同时，输送系统（包括搬运设备机械手）必须具有高度的可靠性。在立体仓库内，一般只有一套输送系统，一旦发生故障，就会使整个仓库工作受到影响。所以，要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便，对输送系统设置手动控制做后备。所以本机械手设计在程序上均设计了手动和自动两种控制方式。2.1.2机械手概况机械手除了能用于自动化立体仓库外，还广泛用于其他工业生产中。机械 手由操作机(机械本体)、控制器、驱动装置和检测传感装置构成，是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。现在把在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。过去，机械手的结构形式比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业自动化技术的发展，逐步有了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的运用。现如今，机械手已广泛用于各工业生产中，它可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它能代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、物流业、交通运输业等方面得到越来越广泛的运用。2.2立体仓库机械手模型设计2.2.1立体仓库实验系统设计 按照立体仓库的定义，根据实际情况，设计一个简单的立体仓库实验系统。该立体仓库试验装置包括机械手、全自动堆垛机两个主要组成部分，如图2-1所示，其中（a）代表机械手部分，（b）代表堆垛机部分。 （a） （b）图2-1 立体仓库实验装置示意图根据自动化立体仓库的原理，设计整个仓库系统运行过程如下：入库时，由运输系统通过辊道运输带等运输设备将货物运至入货辊道口，再由机械手通过一定动作运行，将货物送至各个堆垛机库台，然后由堆垛机完成货物的储存，放至合适的仓库中。相反，出库时，先由堆垛机从指定的仓库中取出货物，并送至合适的堆垛机库台，再由机械手通过动作，将货物送至指定的出货辊道口，然后在由运输系统通过辊道运输带等运输设备将货物送仓库。由于设计的方向和侧重点不同，本设计只针对立体仓库系统中的机械手部分作简单设计和分析。2.2.2立体仓库机械手模型设计鉴于机械手在立体仓库中的具体运用，对所设计的机械手模型描述如下：在总仓库的前后门部分位置分别设立入货辊道口和出货辊道口，两个工作台之间用直线的轨道相连，机械手设至在其轨道上，并能前后来回运行。立体仓库部分位于轨道的左右两端，在各仓库的前面一定距离设置堆垛机库台，分别为1号库台、2号库台、3号库台。奇数号库台位于轨道左边，偶数号库台位于轨道右两边，并左右对称。机械手主要负责货物在出入库时，通过自身的动作作业，完成入、出货辊道口与各堆垛机库台之间的货物传递。由于设计系统是实验用，不可能像现实中的立体仓库那么大，考虑到实际情况，本设计具体研究的控制系统中，只设置两个堆垛机库台，分别位于轨道左右两边，这样在实际的操作中也就不用机械手沿轨道移动了，只需机械手完成上升、下降、伸长、缩短、左转、右转等动作就可以达到目的。立体仓库机械手系统模型图如图2-2所示： 图2-2 立体仓库机械手系统模型图 结合立体仓库机械手模型图，设计机械手运动过程如下：机械手具有四个位置，分别是入货辊道口、出货辊道口、1号库台和2号库台，设其中的入货辊道口为原点位置。货物入库时，由机械手在原点位置抓取物件，按照控制系统的命令，通过升降、伸缩、旋转动作，送至对应的1号（2号）库台。货物出库时，机械手根据控制系统命令，先由原点位置到相应的1号（2号）库台抓取物件，通过动作，送至出货辊道口。 机械手具体的动作流程，将在第4章的机械手控制系统的动作过程中作详细介绍。2.2.3本系统研究的目标要求根据设计模型中机械手的作用，列出设计本系统需要达到的目标要求，以此来要求后面的对机械手控制系统的设计。本次设计要求利用可编程控制器（PLC）来设计控制程序，所以要求掌握PLC控制系统设计的步骤和基本方法，并使所设计的机械手控制系统具备以下的功能要求：（1）从进货辊道口抓取货物，通过移动，放至2个不同方位库台的入库动作功能；（2）能实现从2个不同方位库台抓取货物，通过移动，放至出货辊道口的出库动作功能；（3）能手动操作进、出库动作；（4）能自动复位原点；（5）系统能按照三种不同的工作方式运行入、出库动作：单操作方式、单周期操作方式和连续操作方式：（6）能根据实际需要随意选择三种工作方式中的一种。说明：由于系统的入库动作和出库动作正好相反，所以本设计着重分析和设计入库动作，对出库动作做简单的描述。第3章机械手整体设计方案3.1机械手的基本原理3.1.1机械手的基本构成机械手主要由控制器、驱动装置、执行机构以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如图3-1所示。图3-1 机械手的组成方框图一、执行机构执行机构是机械手主体部分，也就是我们通常看见的部分，包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，根据需要还可以增设行走机构。下面对执行机构各部分部件作简单的分析，比较机构各种形式的用处，并以此根据来设计机械手具体方案。1、手部手部，即与物件接触的部件，也是执行机构的重要部分，由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构的选取取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。负压吸盘通常用于吸取轻小片状零件、光滑薄板材料等物件；而电磁吸盘通常用于吸取导磁性的环类、带孔的盘类零件、以及有网孔状的板料等物件。若用吸附式手部吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量而定。 此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。2、手腕手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂既能实现直线和回转运这样的基本运动，也可实现有直线与回转、直线与直线的复合运动。4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种；驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。二、驱动装置驱动装置是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。三、控制器控制器是支配着工业机械手按规定要求运动的控制装置。目前工业机械手的控制器一般由程序控制部分和电气定位(或机械挡块定位)部分组成。控制器有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。四、位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制器，并与设定的位置进行比较，然后通过控制器进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。3.1.2机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。然后根据自己系统的需要，设计合适类型的机械手。一、按用途分1、专用机械手这是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床的上、下料机械手等。2、通用机械手这是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产和搬运。二、按驱动方式分1、液压传动机械手这是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，否则油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动动机械手这是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、 机械传动机械手这是由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手这是有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。三、按控制方式分1、点位控制这种控制的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制这种控制的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。3.2机械手系统功能设计3.2.1系统对机械手的基本要求根据立体仓库的性能，总结出系统对机械手的基本要求是：能快速、准确地抓取、释放和搬运物件，也就是说要求机械手具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性，并能实现柔性转换和编程控制。本课题本着以下的原则对机械手进行设计：根据系统功能要求和环境条件，充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，定位精度要求，抓取、释放和搬运物件时安全性等。3.2.2系统各部分的选择与设计根据前面对机械手各部分的介绍，以及每种类型的适用范围，按照立体仓库系统对机械手的基本要求，完成对机械手各部分的选择和设计如下，设计机械手结构、运动示意图如图3-2所示。1、机械手的选型根据前面所讲述的机械手在用途上的差别，为了使机械手的使用范围更广，动作能够随时调整，本设计选用通用性机械手。2、手部结构设计为了使机械手的通用性更强，更加灵活多变，把手部机构设计成可更换结构。当搬运物件是棒状、方形、圆形时，手部选用夹持式手部；当搬运物件是光滑板形（采用负压式）、网状板形（采用电磁式）时，手部选用吸附式手部。手指运动形式均为平移型。3、机械手的手腕结构设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。4、机械手的手臂结构设计按照抓取物件的要求，本机械手的手臂有4个自由度，即手臂的上升与下降、伸长与缩短、左转与右转，以及机械手的前后移动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱设计为可移动式立柱，立柱的横向移动即为手臂的横移，手臂的各种运动由气缸来实现。5、机械手的坐标形式按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在搬运货物过程中，需要手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式机械手。图3-2 机械手结构、运动示意图6、机械手的驱动方式设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，且成本低廉，结合实际情况综合考虑，本机械手采用气压传动方式。7、机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程需要改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。第4章 机械手控制系统硬件设计根据机械手的工作要求和运动规律，本课题机械手控制系统选用PLC作为系统的控制器，本章主要对机械手控制系统进行简单描述，并确定系统选取PLC控制器的型号，确定系统输入、输出分配，画出PLC外部接线图，对控制系统硬件部分进行设计。4.1机械手控制系统描述本系统控制的对象为所设计的圆柱座标式气动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸长和缩短、竖直方向的上升和下降、绕竖直轴的顺时针方向旋转（右转）和逆时针方向旋转（左转），并由它的末端执行装置（机械手手指）完成抓紧、放开物品功能。以上机械手各动作均采用气缸驱动，而气缸由对应的电磁阀控制。其中, 上升、下降，左转、右转，以及伸长和缩短分别由2位5通双线圈电磁阀控制。如当下降电磁阀通电时, 机械手下降，当下降电磁阀断电时, 机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时, 机械手才上升；当上升电磁阀断电时, 机械手上升停止。同理, 左转、右转分别由左转电磁阀和右转电磁阀控制；伸长、缩短分别由伸长电磁阀和右转电磁阀控制。机械手的放松或夹紧由一个单线圈两位置电磁阀，称为夹紧电磁阀控制。当该线圈通电时, 机械手夹紧；当该线圈断电时,机械手放松。这样，可用PLC的输出端与相应的电磁阀线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作，如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六个动作末端或指定位置均放置一限位开关(如图4-1所示)，以检测动作是否到位，当动作到达限位时才能执行下一个动作任务。图4-1为机械手的限位开关示意图，其中SQ1-SQ8分别代表下降、上升、伸长、缩短、旋转至入货口、旋转至1号库台、旋转至2号库台、旋转至出货口限位开关。设置限位开关的目的是为了能够使机械手精确的达到各个位置，准确无误的放取货物；同时保证运行时不会因为运行过限而造成机械上的损坏。当机械手动作到位并准备下降时，为了确保安全，在下降抓取前需确定工作台上有物品才能下降，而在下降放开物品前需确定工作台无物品才允许下降。图4-1 机械手限位开关示意图也就是说，在每次下降时都要用检测元件检测工作台上是否有物品，是否符合下降要求，若不符合，发出报警信号。设计中用光电开关I1.1进行无物品检测，I1.1接通表示无物品，I1.1断开表示有物品。 最终机械手会在PLC程序的控制下，按照第2章的立体仓库机械手实验模型制定入、出库的机械手动作顺序，并按此动作完成任务，从而完成立体仓库内货物的入、出库工作。4.2控制系统的动作过程和控制方式4.2.1控制系统的动作过程在此系统中，机械手主要是通过手臂的移动动作和手指的抓取动作来完成货物出、入仓库的搬运任务。由于出库和入库动作恰好相反，但其设计思路和控制方法都相同，为了避免重复，本论文主要是分析和设计对入库过程的控制，出库过程暂不涉及。机械手的动作过程如图4-2所示，设计系统原点位置为入货辊道口位置，机械手的原始动作状态是：上升至上限位开关处、缩短至缩短限位开关处、旋转至原点位置，且机械手手指处于松开状态。当有货物入库时，机械手从原点位置开始，按下启动按钮，伸长电磁阀通电，机械手伸长。伸长至碰到伸长限位开关，伸长电磁阀断电，伸长停止；此时用光电开关检测入货辊道口工作台上有无物品，若有物品，光电开关不接通，下降电磁阀通电，机械手下降（若无物品，光电开关接通，系统报警）。下降至碰到下限位开关，下降电磁阀断开，下降停止。同时接通夹紧电磁阀，机械手抓取物品，抓紧后，上升电磁阀接通，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断开，上升停止。此时需要判断和识别将货物送至哪一个堆垛机库台，根据控制开关来判断，若需送至1号库台，则接通左转电磁阀，机械手左转。左转至1号库台限位时，图4-2 机械手动作过程图碰到限位开关，左转电磁阀断开，左转停止。此时又需对库台检测是否有货物存在，若此时库台上无物品，则光电开关接通，并接通下降电磁阀，机械手下降（若库台上有物品，则系统报警）。下降到底后，碰到下限限位开关，下降电磁阀断开，下降停止。同时夹紧电磁阀断开，机械手松开。松开后，上升电磁阀接通，机械手上升。上升到顶后，碰到上限位开关，上升停止；同时接通右转电磁阀，机械手右转。有右转至原点位置后，碰到原点限位开光，右转电磁阀断开，右转停止（若需送至2号库台，则逐步完成右转、下降、松开、上升、左转到达原点位置）。至此，机械手经过10个动作完成了一个工作周期。4.2.2控制系统的工作时序图根据动作流程画出控制系统的工作时序图如图4-3所示。图4-3机械手动作时序图4.2.3控制系统的控制方式按照立体仓库系统机械手的控制要求，设计本机械手控制系统的控制方式为三种，即为原点复位操作方式、复位手动操作方式和自动操作方式。其中自动操作方式又分为单周期和连续操作方式。这样控制系统共设计四种控制方式，并可以根据实际情况，由操作人员选择合适的控制方式。1、原点复位操作方式：当机械手在进行各种动作之前必须进行原点复位操作控制方式，使机械手自动复位到原点位置，这就避免了在用手动操作方式去使机械手复位。因为系统可能发生紧急情况，机械手可以在任何位置停止动作，情况恢复后，必须进行原点复位操作，所以设计原点复位操作控制很有必要。2、手动操作控制方式：设计程序，用按钮对机械手的每一步动作单独进行操作控制。当选择左转与右转动作时，按下启动按钮，机械手右转；按下停止按钮，机械手左转。当选择伸长与缩短动作时，按下启动按钮，机械手缩短；按下停止按钮，机械手伸长。当选择上升与下降动作时，按下启动按钮，机械手下降；按下停止按钮，机械手上升。当选择抓紧与放开动作时，按下启动按钮，机械手抓紧；按下停止按钮，机械手放开。3、单周期操作控制方式：机械手经复位后，从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动按照设计动作过程完成一个周期后停止在原点。4、连续操作控制方式：机械手经复位后，从原点开始，按一下启动按钮，机械手将自动地、连续不断地按照设计动作过程周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手将继续按过程完成一个周期的多动后，回到原点位置自动停止。4.3控制系统操作面板的设计 根据系统控制要求，需要设计一定的操作按钮和操作开关，并按一定的顺序布置在控制箱面板上，如图4-4所示为入库系统操作控制面板设计布置图。在该控制面板中设计有4个操作按钮，分别是电源启动、急停按钮和动作启动、停止按钮。动作的启动、停止按钮在各种控制操作方式下都会用到，但各自使用不一样。而电源启动、急停按钮控制PLC外部负载的电源接通或断开，与PLC控制程序无关。为了保证在当系统出现紧急情况下（包括PLC发生故障时），能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM（见图4-5）。运行时按下“电源启动”按钮，是KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时，用“急停”按钮来切断负载电源，达到避免事故发生的目的。同时该控制面板中还设计了三个万能转换开关，来对各种情况的选择，分别是手动加载选择开关、工作方式选择开关和入库位置选择开关。入库位置选择开关I1.7、I2.0分别接通代表货物将被送至1号、2号库台。工作方式选择开关主要是对系统控制方式的选择，根据实际需要选择合适的控制方式，其中I1.3、I1.4、I1.5、I1.6分别代表单操作控制方式、原点复位控制方式、单周期操作控制方式和连续操作控制方式。而加载选择开关只能在选择单操作方式（即手动操作）时才起作用，但操作时，按加载选择开关的位置，用动作启动、停止按钮控制动作。图4-4 操作面板布置图4.4系统控制器PLC的选型可编程控制器(PLC)按输入输出点数以及CPU功能分为大、中、小3种类型，按其结构又可分为整体式和模块式PLC。可编程控制器的种类很多，德国西门子（SIMATIC）公司生产的S7-200是近年来该公司推出的高性能小型可编程控制器，有灵活多变的系统配置，还有许多特殊功能模块可以选用，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，功能强大，使用方便。本设计机械手控制系统选用的PLC是德国西门子公司生产的S7-200系列中的CPU224型号。该型号PLC集成的数字量输入/输出为14入10出，共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。I/O端子可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。基本位布尔运算执行时间为0.22s，用户存储器容量8K字节。而且它还具备6路30kHz单相高速计数器和2路20kHz高速脉冲输出可以分别用来接收旋转编码器信号和直接控制步进电机运行。有模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、位置控制模块、数据输入/输出模块、通信模块等，可以实现模拟量控制、位置控制和联网功能。4.5控制系统输入、输出设计控制系统输入设备是用以生产输入控制信号的设备，在本设计的机械手控制系统中有：启动、停止按钮；发讯开关，即各个位置上的限位开关；工作方式选择开关选用万能转换开关；加载选择开关。控制系统输出设备是由PLC输出信号驱动的执行元件，在机械手的控制系统中的输出设备是各气压回路的电磁阀，原点指示灯，报警指示灯。表4-1 I/O分配表输入信号输 入 信 号地址元件初始状态功能I0.0控制按钮SB1常开启动按钮I0.1行程开关SQ1常开下限限位开关I0.2行程开关SQ2常开上限限位开关I0.3行程开关SQ3常开伸长限位开关I0.4行程开关SQ4常开缩短限位开关I0.5行程开关SQ5常开旋转至入货口（原点位置）限位开关I0.6行程开关SQ6常开旋转至1号库台限位开关I0.7行程开关SQ7常开旋转至2号库台限位开关I1.0行程开关SQ8常开旋转至出货口位置限位开关I1.1接近开关SQ9常开无物品检测开关I1.2控制按钮SB2常闭停止按钮I1.3万能转换开关1常开单操作I1.4常开原点复位I1.5常开单周期操作I1.6常开连续操作I1.7万能转换开关2常开送至1号库台I2.0常开送至2号库台I2.1加载选择开关常开左转与右转I2.2常开伸长与缩短I2.3常开上升与下降I2.4常开抓紧与松开表4-2 I/O分配表输出信号输 出 信 号地址元件初始状态功能Q0.0指示灯常开原点指示Q0.1电磁阀YV1常开竖直下降Q0.2电磁阀YV2常开竖直上升Q0.3电磁阀YV3常开手臂左转Q0.4电磁阀YV4常开手臂右转Q0.5电磁阀YV5常开手臂伸长Q0.6电磁阀YV6常开手臂缩短Q0.7电磁阀YV7常开手抓抓紧Q1.0指示灯常开报警指示本设计机械手PLC控制系统共使用21个输入量、9个输出量。而德国西门子公司S7-200系列中的CPU224型号只集成14个输入量、10个输出量，所以应增加数字量输入。比较EM221（8个输入点，0个输出点）、EM222（0个输入点，8个输出点）、EM223（4/8/16个输入点、4/8/16个输出点）三种数字量扩展模块后，选用型号为EM221的数字量输入模块一块，增加8个输入。控制系统具体I/O分配表如表4-1、表4-2所示。由输入、输出组成的PLC外部接线图如图4-5所示。图4-5 PLC外部接线图第5章 机械手控制系统软件设计5.1西门子软件介绍德国西门子公司上产的S7-200系列的PLC是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握