一种搬运机械手的PLC控制系统设计论文

1、 . . . 本科毕业论文（设计）一种搬运机械手的PLC控制系统设计23 / 27一种搬运机械手的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，搬运机械手与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

2、：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 i

3、ntensity.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 goodinteraction and

4、 flexibility and automaticoperationprocess isstable and reliable, finally,reaches the desired design purpose.Key Words： PLC;servo control; manipulator; control panel; solar cell module目录1 绪论11.1  国外机械手的研究现状与其意义11.2  研究思路与主要容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

5、 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

6、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 辞221 绪论1.1  国外机械手的研究现状与其意义国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，所以国主要是逐步增大机械手运用的围。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

7、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

8、，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，提高工业自动化以与机械化程度。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

9、间3。1.2  研究思路与主要容基于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与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

10、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，程序模拟调试与应用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

11、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、精确性以与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，垂直运动以与工件的吸紧均由电磁阀驱动气缸来完成，相

12、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 以与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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、与电源和急停的按钮9。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与控制的自动化。S7-200拥有很高的可靠性，非常丰富的指令集和置集成功能，易于操作，而且拓展模块与其丰富。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S7-2

18、0010。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与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 

19、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241635-24813K1000mA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1000mA 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配如表 3.2所示。表 3.2   输入输出分配表

20、输入点输出点端子编号作用端子编号作用I0.0自动模式下启动Q0.0下降电磁阀线圈I0.1下限位开关Q0.1上升电磁阀线圈I0.2上限为开关Q0.2左移电磁阀线圈I0.3右限位开关Q0.3右移电磁阀线圈I0.4左限位开关Q0.4真空表吸电磁阀线圈I0.5工件检测开关Q0.5机械手原点指示I0.6自动方式下停止I0.7手动/自动选择开关I1.0自动方式下步进操作I1.1自动方式下单周期操作I1.2自动方式下连续操作I1.3手动上升操作I1.4手动下降操作I1.5手动右移操作I1.6手动左移操作I1.7手动真空表吸操作I2.0手动真空表放操作I2.1急停按钮3.3.3   电气元

21、件的选择(1)  按钮的选择选择按钮需要遵循的原则：根据使用的场合不同进行选择，如开启式，防水式，等；根据按钮的不同用途选择，如紧急式，带灯式等；根据控制回路的不同选择不同的按钮数，如单钮，多钮等；根据工作情况与状态的不同选择按钮与指示灯的颜色。一般情况下红色按钮代表停止按钮，绿色按钮代表启动，所以按钮的选择为带指示灯的 LA25-D，其额定电压为 24V，带指示灯目的是为了区别不同颜色的按钮。(2)  行程开关的选择行程开关分为直动式，滚动式和微动式三种。结构简单，成本低是直动式的优点，容易烧蚀触头是其存在的缺点。而滚动式则克服了直

22、动式的缺点，滚动式结构较复杂，但是价格相对较贵，相比之下，此设计选用微动式的行程开关，又因为需要开关体积小，动作反应灵敏，故选型型号为：LX32-4S(3)  接近开关的选择接近开关是一种对于接近对象元素有感知力的位移传感器，使用传感器对接近对象敏感特征来实现控制开关通段目的。接近开关工作环境是只有当运动的物体靠近到开关一定的距离时候，根据开关动作的机理，此时开关会感应到运动的物体，并且做出相应的反应。在设计上，SQ1-SQ4接近开关分别为机械手各方向上的运动定位。接近开关种类各种各样，国常用的开关有 LJ,3SG和LX18等。电池板属于金属物品，而LJ5系列的接

23、近开关就适用于检测金属物品，检测原理是根据磁振荡的原理。故所选接近开关的型号为LJ5A-10/33，它具有统一的安装尺寸，外壳防护等级IP65，其使用寿命可达30亿次以上。(4)  转换开关的选择转换开关是一种多档位，多触点，能够控制多回路的主令电器，主要用在电动机改变转向，调速以与控制正反转的系统上。LW系列是比较常见的开关，本系统设计中，由于控制形式比较多样，需要通过开关选择的点比较多，经过分析考虑后，所以选择 LW5 系列的万能转换开关能满足本设计的要求，并且更加实用。(5)  刀开关的选择刀开关是一种手动电器，根据简单方便的选

24、择原则，最后选定 HD 型单投刀开关，分为 1 级，2级，3 级，其型号为 HD13B-200/3(6)  时间继电器的选择时间继电器在控制电路中用于机械手动作时间的控制，设计中机械手真空表吸和真空表放过程都需要一定的时间。通过对时间继电器的各方面参数了解以与通过调查对比，不管是根据使用回路的类型，还是根据电器元件的参数规格，JS27 系列时间继电器符合设计目的要求，再在系列中选取的最终型号是JS27A。(7)  接触器的选择接触器的选择原则：根据负载类别来选择接触器是选交流还是选直流

25、；接触器的额定电流和额定电压是根据所控制电路或控制电路的电压等级来决定的，接触器线圈的额定电压由控制电路电压等级决定，据此再选择合适的接触器。经过以上原则的分析，交流电磁式接触器为首选目标。经过查阅CJ12 系列接触器的参数，其额定电压，额定电压以与交流频率都满足所设计的电力线路要求。该系列接触器经常作远距离接通和分断电路并对电动机频繁地启动停止，反向之用。 CJ12-600为最后选定的型号。(8)  熔断器的选择熔断器主要是当电路中电流过大或线路发生短路时切断线路通电作保护电路而使用，其质量小，维护方便，安全度高的优点使它得到广泛使用。RT系列熔断器是

26、一种有限流作用的填料管式熔断器，由填有石英砂的瓷熔管、触点和镀银铜栅状熔体组成，通过手动机构操作。填料管式熔断器额定电流为501000A，主要用于短路电流大的电路，经过系统的分析最终选择这个系列中的RT15类型的熔断器。(9)  电动机的选择根据电动机所接电流类型不同分为交流电动机和直流电动机，在本设计中，电动机所在系统为交流控制系统，故选交流电机。而且电动机也有同步电动机和异步电动机之分，但一般场合作为设备驱动就可以选择异步电动机。本设计中主要靠电机作为动力装置造高压回路驱动气缸来完成相应的步骤，根据合理电动机选择原则，电动机选择的是交流异步电动机，其型号为 Y

27、Z 系列的三相异步电动机。(10)  电磁阀的选择根据所需要的电磁阀线圈个数以与选择原则，最终选择的电磁阀型号为 VF3230 和型号为 VF313012。根据以上情况分析，可列出电气元件清单如下表 3.3 所示。项目代号型号名称规格数量M1YZ三相交流异步电动机AC380V 4KW 1410r/min1SBLA25-D按钮10SQLX32-4S接近开关AC1000V·A/3805SALW5转换开关1FURT15熔断器2YVVF3230双线圈电磁阀AC2202YVVF3130单线圈电磁

28、阀DC2201表 3.3   电气元件清单3.3.4   控制系统的外部接线图图5 外部接线图如图 5所示是机械手控制系统的接线图。将图 3 控制面板布置图和该图一起使用来深刻了解各操作步骤对应的输入输出端子以与知道如何来操作选择所需要的控制模式。首先要选择工作的模式，若在自动工作模式下启动，应该再选择其模式下的不同子方式，也就是自动模式下步进、单周期或者连续操作。若在手动工作模式下启动，操作面板上有相应动作的按钮，按下所需运动过程的按钮，机械手就会完成相应动作过程。此外，在意外情况发生时，为了能让机械手的运动中止

29、下来，故设置了一个急停按钮 I2.1。该按钮的作用是当不必要的情况发生时将其按下，那么线路中的控制线圈就会失电，机械手就会立即停止运动。最重要的是为了系统运行的可靠性而此时PLC是能正常工作的。当紧急情况排除后，再按一下急停按钮，所对应的线圈通电，系统会继续按正常工作状态进行运行。3.4 程序设计3.4.1  PLC 的程序设计思想根据不同的控制过程的复杂性要求，程序结构可分为基本程序和模块化程序。基本程序:可以作为一个简单的生产过程中独立的程序控制，并且可以用作组合中的一个单元过程。顺序结构、条件分支结构和循环结构是计算机基本程序设计思想的三种不同结构。模块化程

30、序：把总的控制程序分成主程序和子程序，通过主程序来调用子程序，通过逻辑思考分别编写，最后形成一个满足控制目标的完整程序。编程通常使用这种设计思想，因为每个模块具有相对独立性，相互连接的关系简单，而且容易调试，特别是用于生产过程复杂的控制要求。由机械手的运动情况可以知道，在每一种工作模式下机械手的动作都是按从原点出发，按顺序完成八步运动操作，最终回到原点来完成的，通过限位开关以确定是否完成了相应的操作，机械手的运动完全是按照先后顺序来控制的。所以，本文的设计选用的是顺序结构的基本程序，然后把每一个工作模式的程序模块组合起来就是整个系统的控制程序。为了设计的系统程序能更好的完成系统的控制要求，所以

31、本设计选用基本程序中的顺序结构以与模块化程序来编写系统程序13。3.4.2  系统的程序流程图系统的设计流程图是 PLC编程的基础。只有设计出系统流程图，才易于编写梯形图和语句表，才有利于设计过程的最终完成。因此程序设计的关键首要事情是绘制出流程图。如图6所示是根据搬运机械手的八个运动状态，绘制出的机械手动作的流程图。图6 机械手动作流程图软件设计的首要问题是将所绘制的流程图转化为梯形图，这是使用PLC最核心的问题。梯形图的编写是软件设计的具体表现，清晰合理的流程图便于梯形图的设计，也有利于所作的控制能稳定可靠地进行。在工业自动化控制工程中，逻辑清晰的软件设计更有利于工程设

32、计人员日常调试与维护系统。图 7 机械手控制系统主程序3.4.3 机械手控制系统主程序机械手控制程序由四个子程序模块组成，通过主程序来调用选择的子程序。该机械手控制系统的主程序如图 7所示。通过程序设计中的I0.7来实现机械手自动和手动模式的切换，原状态下为手动操作模式，当按下时就为自动操作模式。自动模式下的三种子操作是通过按钮 I1.0、I1.1、I1.2 来分别进行选择的。在主程序中设有相应动作的线圈，这些线圈得电与否都是由子程序中相应动作的中间继电器来控制。任何一个继电器有信号都能使相应的线圈带电，从而使机械手执行对应的动作。例如中间继电器

33、0;M1.1、M2.0、M2.4、M3.0、M3.4、M4.0、M4.4 只要其中一个有输入信号，都会使控制下降操作的线圈 Q0.0 通电，致使电机驱动气缸运动，使机械手进行下降操作。此外，为了保证机械手在紧急情况下能与时停止运动，故在主程序各个控制动作的线圈处设置了一个急停按钮 I2.1，这个按钮为手动复位常闭按钮。3.4.4  自动模式下步进控制子程序机械手一步一步的运动操作是通过旋转开关到自动模式下选择步进控制程序实现的。输入端 I0.0 为每一步的启动，由启动操作按钮来完成，I0.1 为每一步的停止，由停止

34、按钮来完成。按下 I0.0，中间继电器M2.0 置位得电，主程序中的线圈 Q0.0 得电，这会使电机驱动气缸进行下降动作；按下 I0.1 会使 M2.0 复位失电，机械手停止下降，然后进入真空表吸动作的操作。程序完全是按照原点-下降-真空表吸-上升-右移-真空表放-上升-左移-原点这一过程来编写的。程序梯形图如图 8所示。图8 自动模式下步进控制子程序3.4.5 自动模式下单周期控制子程序当只需要机械手完成一个周期的操作时，只需将开关旋转到自动模式下，选择单周期控制子程序，机械手会完成一个周期的连续动作。输入端 I0.0 为单周期的启动，按下一次后，机械手完成一个周期八步操作，回到原点自动停止。程序是通过部的继电器在主程序中来实现动作的执行。当要操作停止时，按下 I0.6 就可以结束操作。程序梯形图如9 所示。图9  自动模式下单周期控制子程序3.4.6   自动模式下连续控制子程序当需要周期循环的操作时，旋转开关制自动模式，选择连续控制子程序即可。输入点 I0.0&