仓库机械手plc毕业设计

1、仓库机械手plc毕业设计1导言所选主题的背景20世纪下半叶，随着计算机、材料、自动控制等技术的发展，制造业也获得了蓬勃发展，新的加工制造理念和方法层出不穷，如CNC、CAD、CAM、FMS、CIMS、ERP、并行工程、敏捷制造等。这些先进制造技术改变了传统的制造模式，大大提高了企业的竞争力。先进制造技术是适应未来制造业的前沿技术的总称，是基础科学、管理和工程技术等领域的最新成果、理论和方法的有机结合。它具有综合性、系统性、创新性和可持续性的特点，已成为集机械、电子、信息、材料、管理于一体的新兴交叉学科。可编程控制技术教学现状随着先进制造技术的发展，可编程控制技术(PLC)已经成为先进自动化制造

2、系统中一项非常重要的技术。因此，可编程控制技术也成为机械制造专业一门非常重要的专业课程。同济职业技术教育学院也为机械工程及其自动化专业开设相关课程。但可编程控制器的特点决定了这些课程的实践性很强，对其程序的验证只能结合被控对象来实现。因此，实验环节在教学过程中非常重要。而物理被控对象一般都具有体积大、价格高、维护困难的特点，所以大多数学校由于资金、场地、设备等因素的制约，只购买一些简单的实验箱或单功能可编程控制器，或者只有一套实验系统。为了克服这些困难，目前国外一些学校已经开始尝试采用一种基于计算机仿真技术的实验方法，通过计算机仿真软件模拟其自动控制过程。基于教学现状的研究目的本课题基于我们在

3、相关专业课程中遇到的实际操作困难，利用德国SL公司开发的MSM-2102软件，在计算机上搭建了一套粗加工零件处理单元，由高架仓库和三轴运动机械手组成。在了解柔性制造系统(FMS)中毛坯件的存储和搬运特点的基础上，采用西门子S7可编程控制器进行控制，编制相应的PLC程序，然后进行仿真，从而实现自动化生产过程的仿真。一方面，通过这种仿真，学生不仅可以在教学过程中直观地查看控制过程，更容易理解编程方法，还可以提高学生的编程和调试能力，从而培养我们的工程研发能力。另一方面，对于我们职教师资项目的学生来说，也能深刻体会到项目教学法与模拟法相结合构建复杂工作环境的教学方法的优势。以上因素提出了这个话题。研

4、究能力和研究方法1.4.1项目概念本课题在了解柔性制造系统(FMS)中毛坯件存储和搬运特点的基础上，要求利用德国SL公司开发的MSM-2102软件，模拟构建由高架仓库和三轴机械手组成的毛坯件搬运单元，由德国西门子S7可编程控制器控制，并编制相应的PLC程序，然后对编制的程序进行调试和仿真。这样，通过对实际工程的模拟，操作人员可以简单、形象地了解PLC控制过程，掌握编程方法，培养工程研发能力。1.4.2研究能力(1)熟悉并掌握德国SL公司提供的MSM-2102软件和可编程控制器编程语言STEP7。(2)了解FMS中毛坯零件的存储和搬运特点。(3)使用德国SL公司提供的MSM-2102软件，一个可

5、存放20个毛坯件的高架立体仓库，一个由可三轴移动的机械手、带停止按钮的操作面板、若干毛坯件等组成的毛坯件搬运系统。搭建了输入输出信号线，设计了控制流程图。(4)利用编程语言STEP7编写相应的PLC控制程序，通过仿真的方式对系统进行调试，得到最终的控制程序。1.4.3研究方法本课题的研究主要采用系统研究和实验研究的方法。(1)系统研究运用系统研究的方法，可以了解FMS中毛坯零件入库和搬运的特点，分析零件入库和搬运中会遇到的技术问题，从而帮助设计控制流程图和编写PLC控制程序。(2)实验研究利用德国SL公司提供的MSM-2102软件，搭建上述控制系统的硬件设备，并与输入输出信号连接。利用可编程控

6、制器编程语言STEP7编写相应的PLC控制程序，并通过仿真的方式对系统进行调试，最终得到控制程序。这个过程就是实验研究过程。2可编程控制技术1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台PLC，并成功应用于通用汽车生产线。1982年11月和1985年1月，国际电工委员会(LEC)对PLC的定义是:可编程逻辑控制器(PLC)是一种以数字操作方式运行的电子系统，是专门为工业环境中的应用而设计的。它采用可编程存储器，用于存储其部件中执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的命令，并通过数字模拟输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。多年来，可编程控制器实现了从接线逻辑到存储逻辑、从弱到

7、强、从逻辑控制到数字控制的飞跃。在半导体技术、计算机技术和通信技术飞速发展的今天，PLC在模拟处理、数字运算、人机界面和网络等方面的能力有了很大的提高，已经成为工业控制领域的主流控制设备，应用越来越广泛，在各行各业发挥着越来越重要的作用。2.1从继电器到PLC的转换在现代工业设备和自动化项目中，我们会遇到大量的开关、脉冲、模拟等控制设备。如电机的启动和停止，电磁阀的开启和关闭；位置、速度、加速度等的测量。工件的尺寸；产品的计数与温度、压力和流量等物理量的设置和控制有关。早期的控制系统是由各种继电器、定时器、接触器及其触点按照系统要求的逻辑关系用导线连接而成。这就是60年代以前工业控制领域广泛使

8、用的继电器接触器控制系统。其优点是结构简单，容易掌握，价格低廉。继电器接触器控制系统基本可以满足一些工作模式简单固定的工业场合的控制要求。图2.1三相异步电动机正反转继电器控制原理图然而，继电器接触器控制系统的通用性和灵活性不够。如果控制系统中的一个继电器出现故障，可能会导致控制系统运行异常，检修不便。为了克服这些缺点，世界各国都开发了可编程控制器来代替继电器控制，其可靠性、抗干扰等因素都是继电器无法比拟的。随着计算机技术的不断发展，给工业自动化带来了革命性的变化。这种变化是从继电器控制到计算机控制的飞跃。图2.2三相异步电动机正反转控制梯形图2.2 PLC的特点PLC的特点是:可靠性高，抗干

9、扰能力强；设施齐全，功能完善，适用性强；操作简单，易学易用，受工程技术人员欢迎；系统设计建设工作量小，维护方便，易于改造；体积小，重量轻，功耗低。2.3国外PLC的发展虽然PLC问世的时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模和超大规模集成电路技术的飞速发展，以及数据通信技术的不断进步，PLC也得到了飞速的发展。它的发展过程大致可以分为三个阶段:(1)早期的PLC(从60年代末到70年代中期)一般称为可编程逻辑控制器。此时，PLC在某种程度上是继电器控制装置的替代品。其主要功能一般只用于单一过程的自动控制。在硬件上以准计算机的形式出现，并对I/O接口电路进行了改进，以满足工业控制领域的要求。装置

10、中的器件主要采用分立元件和中小型集成电路，存储器采用磁芯存储器。此外，还采取了一些措施来提高其抗干扰能力。在软件编程中，采用了电气工程技术人员熟悉的梯形图。所以早期PLC的性能比继电器控制装置好。其优点包括简单易懂，安装方便，体积小，能耗低，故障指示，可重复使用。(2)中期PLC(70年代中期到80年代中后期)微处理器的出现给PLC带来了巨大的变化。美国、日本、德国等的一些制造商。已经开始使用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，PLC的功能就大大增强了。软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、定时、计数等功能外，还增加了算术运算、数据处理与传输、通信、自诊断等功能。硬件方面，除了保持

11、其原有的开关模块外，增加了模拟模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，并提供了一定数量的数据寄存器，从而扩大了PLC的应用范围。(3)近期PLC(80年代中后期至今)进入80年代中后期。由于超大规模集成电路技术的快速发展，微处理器的市场价格大幅下降，使得各类PLC使用的微处理器水平普遍提高。而且为了进一步提高PLC的处理速度，各个厂商还开发了专用的逻辑处理芯片，使得PLC的硬件和软件的功能都有了很大的改变。进入21世纪后，从整体上看，无论是硬件还是系统软件(专用操作系统、编程语言)，甚至是联网通讯，PLC都在向标准化方向发展，以求在ERP、MES

12、、PCS三层架构中立于不败之地，更好地满足工业生产。借助管理体系，不断追求降低成本、快速反应、全面和整体效率的要求，从而提升产品竞争力。我国可编程控制器的引进、应用、开发和生产是从改革开放开始的。起初，可编程控制器用于进口设备的数量。接下来，PLC在各企业生产设备和产品中的应用不断扩大。目前，我国可以生产中小型可编程控制器。吴尚电气生产的CF系列，杭机床电器厂生产的DKK和D系列，组合机床研究所生产的S系列，电子计算机厂生产的YZ系列等。已达到一定规模，并在工业产品中得到应用。此外，中外合资企业如华光公司、祥道公司和嘉华公司也是中国著名的PLC制造商。虽然我国在PLC生产方面还很薄弱，但我国在

13、PLC应用方面非常活跃。近年来，每年新增PLC产品约10万套，年销售额30亿元，广泛应用于各行业。可以预见，随着我国现代化的不断深入，PLC在我国将会有更广阔的应用领域。2.4 PLC的应用2.4.1根据IO点分类PLC系统可分为大型、中型、小型和微型。大型PLC系统具有不少于1 024个IO点，主要用于冶金自动化生产线和电厂。目前，有超过8 000个带有IO点的巨型PLC系统在电厂中使用。中型PLC系统有2561 023个IO点，主要应用于冶金、电力、造纸、化工、加工/装配生产线、包装线等领域。小型PLC系统有64 255个IO点，主要用于设备控制，部分用作小型系统控制器。微型PLC系统的I

14、O点少于64个，主要用于监控单台设备，如纺织机械、数控机床、塑料加工机械、小型包装机械等。2.4.2根据PLC的应用领域分类PLC是基于自动控制技术、微机技术和通信技术的新一代工业控制设备。随着微处理器技术的发展，PLC得到了迅速的发展，在社会的各个领域得到了越来越多的应用。目前，PLC的应用领域包括:通用和专用机械、机床和工具、汽车制造、立体仓库、过程控制、控制和仪器仪表、控制设备制造、环境保护、文化娱乐等行业。而且还延伸到其他领域。用法和分类如下。(1)开关逻辑量控制这是PLC最基本也是最广泛的应用领域。它代替传统的继电器电路实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机控制，也可用于多机群控和自

15、动化生产线。如注塑机、印刷机、订书机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)工业过程控制在工业生产中，有一些连续变化的量(即模拟量)如温度、压力、流量、液位、速度等。利用PLC相应的A/D、D/A转换模块和各种控制算法程序对模拟信号进行处理，完成闭环控制。PID调节是一种广泛应用于一般闭环控制系统的调节方法。过程控制广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。(3)运动控制PLC可用于控制圆周运动或直线运动。从控制机构的配置来看，早期是直接用于开关I/O模块连接位置传感器和执行器。现在，一般使用特殊的运动控制模块。例如可以驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界各大PL

16、C厂商的产品几乎都具有运动控制功能，广泛应用于各种机器、机床、机器人、电梯等场合。(4)数据处理现代PLC具有数学运算(包括矩阵运算、函数运算和逻辑运算)、数据传输、数据转换、排序、查表、位操作等功能。它可以完成数据采集、分析和处理。这些数据可以与存储器中存储的参考值进行比较，完成一定的控制操作，也可以通过通讯功能传输到其他智能设备，或者打印成表格。数据处理一般用于大型控制系统，如无人驾驶柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等行业的一些大型控制系统。(5)通信和联网PLC的通信包括PLC之间的通信和PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展迅速。

17、各PLC厂商都非常重视PLC的通信功能，纷纷推出自己的网络系统。新生产的PLC都有通讯接口，通讯非常方便。2.5 PLC的应用前景PLC的未来应用前景分为以下几个方面:(1)人机界面会更加友好。PLC厂商通过收购或联合软件企业或发展软件产业，大大提高了软件水平。大多数PLC品牌都有相应的开发平台和组态软件，软硬件结合提高了系统的性能。同时降低了用户开发和维护的成本，更容易形成人机友好的控制系统。目前广泛采用的是PLC+网络+IPC+CRT的模式。(2)网络通信能力大大增强。PLC厂商在原有CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通信接口，提供了完整的通信网络

18、。近年来，随着数据通信技术的快速发展，用户对开放性有着强烈的需求，现场总线技术和以太网技术也在同步发展。例如，罗克韦尔A-B公司主推三层网络结构体系，即以太网、控制网和设备网。西门子参与PMU US-DP和Pmfibus-FMS网络等。(3)开放性和互操作性有了很大发展。在PLC的发展过程中，各PLC厂商为了垄断和扩大各自的市场，都处于各自为政的局面。开发自己的标准兼容性差，给用户带来不便，增加维护成本。是开放的趋势，得到了各个厂商的认可，形成了一个长期的妥协和竞争的过程，这个过程还在继续。虽然PLC开发中的各种工具仍然互不兼容，但是基于这些标准的开发系统使得用户在应用过程中可以很容易地适应不

19、同品牌的产品。OPC基金会推出了0PC(OLE for Process Contml)标准，进一步增强了软件和硬件之间的互操作性。通过OPC一致性测试的产品可以实现便捷无缝的数据交换。目前，大多数PLC软件产品和相当一部分仪表、执行器等设备都具有OPC功能。OPC技术与现场总线技术的结合是未来FCS技术的发展趋势。为了使PLC更具开放性和多任务性，一个PLC系统中可以同时安装多个CPU模块，每个CPU模块执行一定的任务。比如三菱电机的小Q系列PLC，一个机架可以插四个CPU模块。(4)功能的进一步增强。随着应用范围的扩大，PLC的网络能力、模拟处理能力、运算速度、内存和复杂运算能力大大增强，不

20、再局限于逻辑控制的应用，越来越多地应用于过程控制。据统计，除了在石油化工过程等一些领域，PLC已经得到了成功的应用。PLC在相当多的应用中取代了价格昂贵的DCS，以至于原来的PLC(顺序控制)+DCS(过程控制)模式变成了PLC+IPC模式。综上所述，PLC以其结构紧凑、可靠性高、功能强、速度快、价格低等优点，在现在和未来的工业自动化领域将发挥不可替代的作用。它将推动整个工业领域的发展，为新一轮科技革命的到来打下坚实的基础。3基于PLC的高架仓库在自动化制造系统中，物流的自动化是一个非常重要的组成部分。如何对毛坯件和成品件进行分类、管理和存储已成为热门话题之一。高架仓库作为现代物流系统的重要组

21、成部分，是一种多层次的货物存储系统。它集计算机、信息管理和设备控制于一体，能根据控制指令的要求自动完成货物的存取，并能自动管理库存货物，从而实现仓储技术的全自动化。因此，高架仓库也是企业管理现代化的重要手段之一。近年来，自动化仓库在我国发展迅速，高架仓库的需求量越来越大。3.1高架立体仓库介绍高层货架仓库简称高架仓库，一般是指利用几层、几十层甚至几十层来存放货物，并使用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。因为这种仓库可以充分利用空间存储货物，所以被形象地称为“立体仓库”。立体仓库是由立体货架、轨道巷道堆垛机、装卸用托盘输送系统、尺寸检测条形码读取系统、通信系统、自动控制系统、计算机

22、监控系统、计算机管理以及无线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等其他辅助设备组成的复杂自动化系统。运用一流的综合物流理念，先进的控制、总线、通信和信息技术，通过上述设备的协调运作，根据用户的要求。自动化立体仓库技术的特点:(1)速度快。高架仓库主要设备的运行速度每年都在提高。目前其水平运行速度可达400 m/min，垂直运行速度可达100 m/min。复合周期时间从1522次/小时增加到50 70次/小时。(2)准确性。通过在定位中加入旋转编码器，并在某些部位使用旋转编码器和激光，定位精度从+10mm提高到+3mm。将传统的调速技术发展为嵌入式计算机的矢量变频调速技术，以获得更好的启停

23、曲线，减少周期时间，获得更好的起动转矩。通信方式从有线、电磁感应向红外无线通信技术转变，蓝牙技术可能成为未来新的热点。虚实货舱探测技术已经开始应用无线摄像传输技术。车载控制技术已经开始采用现场总线技术代替专用的软硬件，便于与上位机兼容组网。3.2高架仓库的发展及功能立体仓库的出现和发展是第二次世界大战后生产和技术发展的结果。20世纪50年代初，美国出现了桥式堆垛机立体仓库。1963年，美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一个计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲迅速发展，并形成了一门专门学科。20世纪60年代初，日本开始建设立体仓库，发展速度越来越快，因此被称为当今

24、世界上自动化立体仓库最多的国家之一。表3.1 1989-2004年日本高架仓库销售概况表3.2 1989-2004年日本高架图书馆建设概况我国发展自动化仓库及其物料搬运设备还为时不晚。1963年研制成第一台轮胎桥式堆垛机(机械部起重运输机械研究所)。1973年开始演示中国第一个由计算机控制的自动化仓库(高15米，负责机械升降)。该仓库于1980年投入使用。到2003年，中国自动化立体仓库的数量已经超过200个。立体仓库因其空间利用率高、仓储能力强、计算机控制和管理，有利于企业实施现代化管理，已成为企业物流和生产管理不可或缺的仓储技术，越来越受到企业的重视。与传统仓库相比，自动化仓库具有许多突出

25、的功能，主要包括以下四个方面:大大提高空间利用率，应用先进的物流系统优化企业的生产管理，加快货物的存取速度，降低劳动强度，提高生产效率，减少库存资金的积压。立体仓库的使用还可以产生巨大的社会效益和经济效益。通过高位货架存储，使存储区域向高空发展，提高空间利用率。自动化仓库采用分级存储，结合计算机管理，可以轻松实现先进先出，防止货物自然老化、变质、损坏。通过自动化仓储系统，加快了操作加工速度，提高了劳动生产率，降低了操作人员的劳动强度。采用自动化技术后，也能更好地满足黑暗、低温、污染、有毒、爆炸等特殊场合物品的存储需求。计算机控制总能保证各种信息的正确存储和管理，减少了商品加工和信息处理过程中的

26、差错。同时，借助计算机管理，可以有效利用仓库的储存能力，方便检查盘点，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于自动化仓库的使用，促进了企业的科学管理，减少了浪费，保证了均衡生产，也提高了操作人员的素质和管理人员的水平。图3.1立体仓库控制系统总体结构图3.3高架立体仓库的关键技术3.3.1自动化仓库的自动寻址立体仓库的自动寻址就是找到存放和取货的位置。由计算机控制的自动化仓库具有自动寻址的功能。同一巷道的位置地址由三个参数组成:货架的哪一排，货物的哪一层，左边还是右边。当自动化仓库收

27、到上级管理机的存取指令和地址时，向指定位置方向运行。在作业过程中，安装在堆垛机(或机械手)上的传感器不断检测位置信息，计算是否到位。3.3.2自动识别系统自动化立体仓库的货物管理是以货物的自动识别和跟踪技术为基础的。自动识别是指在没有人工干预的情况下，确定物料流动过程中某项活动的关键特性。每个关键特性都与生产活动有关，这些关键特性包括产品的名称、数量、设计、质量、材料来源、目的地、体积、重量和运输路线。这些数据经过收集和处理后，可用于确定生产计划、运输路线、距离、库存、存储地址、销售和生产、库存控制、运输单据、票据和记账等。商品信息可以通过声、光、磁、电等各种媒介获得。在具体实施中，在生产的关

28、键部位配备自动识别装置，将各个地方获得的信息通过计算机网络系统传输，统一处理。在现代生产物流系统中，条形码自动识别技术被广泛应用，因为条形码具有读取速度快、精度高、使用方便、成本低、适应性好等优点。控制系统控制系统是自动化仓库运作成功的关键。没有好的控制，系统的运行成本会很高，效率会很低。为了实现自动化操作，自动化仓库中使用的各种存取设备和输送设备必须配备各种控制装置。这些控制装置有很多种，从普通的开关、继电器到微处理器、单片机、可编程控制器，根据各自设定的功能，有速度控制、拨叉控制、方向控制等。所有这些控制器都不允许由各种控制装置来实现。控制系统自动控制装卸设备和运输设备，是自动化仓库的核心

29、部分之一，直接关系到仓库的正常运行。因此，控制系统所用的材料、设备、传感器和元器件应是可靠性高、寿命长、易于维护和更换的产品，否则会存在安全隐患。目前堆垛机的控制多采用模块化控制方式，驱动系统为交流电机无级调速。这种方法技术成熟，应用广泛，既能实现堆垛机的高速运行，又能顺利进行停车对位。在控制系统中，还应采取一系列自检和联锁保护措施，以确保工人出错时不会发生事故。判断机械和电气故障，发出警报，并将故障信息传送到主机系统。控制系统应能满足各种运行模式的需要。3.3.4监控调度系统监控系统是自动化仓库的信息枢纽，是实现自动化仓库实时控制的重要组成部分。它在整个系统中起着重要的作用，负责协调系统各部

30、分的运行。自动化仓库系统使用大量运行设备，每台设备的运行任务、运行路径、运行方向都需要监控系统统一调度。监控调度系统根据主机系统的作业指令，按照作业间运行时间最短、合理协调的原则，对作业序列进行优化、组合和排队，并将优化后的作业指令发送到各个控制系统，实时监控作业过程、作业信息和运行设备。3.3.5计算机管理系统计算机管理系统是自动化仓库的指挥中心，相当于人脑。指挥仓库内各设备的运行，主要完成整个仓库的运行管理和账务，承担与上级系统的通信和企业信息管理系统的部分任务。自动化仓库信息管理是基于现代信息管理理论和现代控制理论的一个分支。对于一个自动化仓库来说，它可以是独立的，但是对于一个企业来说，

31、它也是它的管理信息系统(MIS)。它不仅处理信息，还管理物流，集信息流和物流于一体，是现代企业的核心。自动化仓库管理系统的主要功能是对仓库的所有出入库活动进行优化登录和控制，并对数据进行统计分析，以便决策者及早发现问题，采取相应措施，最大限度地减少库存，加快货物流通，创造经济效益和社会效益。3.4基于PLC的高架仓库PLC控制高架仓库工作流程的全过程，充分体现了PLC的优势。随着科学技术的发展，PLC技术越来越多地应用到各种实际生产领域。在生产系统集成化、智能化的理念下，自动化立体仓库的货物存储充分运用了PLC技术，加快了作业速度，使作业更加精准，全面提升了企业的综合竞争力。提高企业的整体效益

32、。3.4.1利用PLC控制立体仓库的优势(1)低成本通过电力线接入互联网最大的优势是成本低。由于利用电力线接入互联网，可以直接利用现有的电力网络实现通信，不需要铺设额外的线路、光缆等。，大大降低了基础网络的投资。(2)无处不在的电力线网络也是这项技术的优势。电力线是最基本的网络，其规模是其他任何网络都无法比拟的。因为每个家庭都有一条电力线，因此，运营商可以很容易地将这种网络接入服务渗透到每个家庭。因此，这项技术一旦进入商业化阶段，将推动电信市场的变革，为互联网普及带来巨大的发展空间。(3)高速电力线接入可以提供高速传输。德国最大的电力设备制造商RWE公司承诺，使用他们的电力线技术，其速度将比I

33、SDN拨号快30倍以上，比ADSL还快！足以支持现有网络上的各种应用。更高速的PLC产品正在开发中。(4)便利性无论你在家里的哪个地方，只要接上你房间里的任何一个电源插座，就能立刻享受到PLC带来的高速网络！(5)常通PLC属于“即插即用”。没有了繁琐的拨号过程，接通电源就等于接通了网络！(6)结构灵活。通过PLC技术可以实现互联网接入，可以灵活扩展接入端口的数量，保持较高的资源利用率。目前，电力线信号通过变压器的技术尚未得到有效解决。因此，电力线通信设备集中在220V线路变压器用户端。(7)家庭数字PLC技术可以通过电力线将整个家庭的电器与网络连接起来，构建一个可以在房间内的设备之间自由交换

34、信息的局域网，使人们可以通过网络控制自己的电器。PLC机械手与此同时，在自动化生产领域，机械手也在近几十年得到了发展。其特点是能通过编程完成各种预期任务，在结构和性能上兼具人和机器的优点，尤其体现了人的智能和适应性。PLC控制具有可靠性高、程序变化灵活等优点。无论是时间控制、行程控制还是混合控制，都可以通过设置PLC程序来实现，并且可以根据机械手的动作顺序来修改程序，使机械手的功能更加多样。另外，PLC机械手可以满足机械手手动、半自动和自动操作模式所需的大量按钮、开关和位置检测点的要求。广泛应用于生产，是企业自动化设备的重要标志之一。图3.2操作中的机械手目前，由于微电子技术、计算软硬件技术的

35、飞速发展和现代控制理论的不断完善，机械手技术发展迅速。其中，气动机械手系统以其介质来源简单、部件成本低、维护方便、系统安全可靠等优点，已经渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中发挥了重要作用。气动机械手基本由气动机械手、XY轴螺旋组、转台机构、旋转底座等机械部分组成。主要功能是完成机械零件的搬运，可以放置在各种生产线或物流线上，使零件搬运和货物运输更加快捷方便。本文构造的三轴机械手安装在四层高架仓库内，其X、Z轴的运动由电机控制，Y轴和手爪的运动由气动控制，用于定位、抓取和输送毛坯件。MSM软件介绍4.1 SL系统介绍机电一体化系统“SL-MSK 2100”的理念是基于多年自动化技术经验，引进

36、BIBB最新发展方向，满足机电一体化工程师的需求。SL“机电一体化系统21xx”的特点是模块化，它采用了集成组件:SL硬件模块、SL连接模块、SL软件模块。特别是在教学和培训领域，可以演示自动化技术之间的关系，具有很高的应用价值。图4.1 SL系统列表SL系统可以通过模拟教学过程演示复杂系统，对自动化技术/控制技术/机电一体化的教学很有帮助。目前，SL体系不断得到多学科的完善，极大地丰富了职业培训的教学内容。涉及自动化技术、计算机技术、生产过程组织等机电一体化的关键组成部分，受到了特别的关注。4.2 MSM软件模块介绍使用机电一体化系统“SL-MSK 2100”中的MSM软件模块“SLMSM2

37、1xx”工作，不仅可以在屏幕上模拟简单的元件，还可以构建由PC支持的复杂自动化装置。该软件能够真实地模拟涉及各个领域的组件，用户可以方便有效地建立、测试和控制任何模拟自动化过程，并设计工程开发程序。在模拟期间，还可以评估将在真实硬件环境中引起干扰的过程。该软件有三个不同的部分:(1)MSM2100软件包括一个带有功能组件的模块库，可以在机电一体化基础系统TMS-2000-B01(机电一体化基础配置)中找到。所有属于训练系统的执行器和传感器都可以从库中调用，解决自动化、控制技术和机电一体化的任务。(2)MSM2101软件的效率可以体现在几乎每一个自动化设备都可以从已有的模型库中调用然后建立。与基

38、本配置(SLMSM2100)相比，其扩展配置包括6轴关节机器人、6轴龙门机器人、6轴Scara机器人、不同的机器人抓手、传送带、存储、刀库、机床、扩展传感器、信号灯和开关元件。(3)MSM2102与有效的“SLMSM2101”模块相比，该软件包括产生典型自动化过程的所有模型库。这个软件的典型特点是利用几何的精确描述和编程的原始语言来组合工业机器人。为了有效编程，可以使用原始操作终端作为软件示教。图4.2 MSM2102工作界面4.3 MSM软件操作步骤使用MSM软件模拟操作任务时，一般操作步骤如下:(1)创建新计划。打开软件后，使用子项“新建.”在界面上的下拉菜单计划(Z)下创建一个新的计划。

39、它会打开一个选择窗口，您可以在其中选择驱动器和路径，并输入名称。同样，您可以使用该菜单项打开一个现有的计划。但是，在外部目录中创建新计划有一个限制。不在目录中的对象必须使用“对象接受”按钮导入到主目录中。计划的延期必须是”。BCI”(自动添加)。用按钮确认打开模拟窗口(此时全为黑色)，并在右边打开对象工作的对话框窗口和视口窗口。使用视口窗口优化和调整加载对象的视图。(2)硬件的选择和构造编辑对象的窗口由三部分组成:对象列表、坐标系和对象定位。使用按钮对象(O)展开模拟窗口中的下拉菜单对象(O ):图4.3下拉菜单“对象(O)”该菜单包括以下子项:接受:从展开的列表中添加对象。参数化.:添加对象

40、大小和属性的参数化(修改长度、宽度、高度、颜色和属性)。清楚的.:从计划中清除添加的对象。复制.:复制选中的对象(在列表中以亮色显示)，会出现一个窗口，输入复制的名称和偏移量。在复制对象之前，必须选择一个现有的对象，以避免对象垃圾(即同一对象被多次放置在同一位置)。信息.:打开对象输入和输出窗口。删除.:从所有软件中删除对象，而不仅仅是从计划中删除！使用子项“接受”将打开一个包含所有可加载对象组的下拉菜单。以下选项可供接受:单位:不同的空间，划分空间的墙，便于定位的网格；收纳:工作台、料箱、容器、支架、刀架；可编程控制器:各种输入/输出地址可变的自动化设备；工作站:所有部件、功能单元和制造工位

41、的对象库，可以作为硬件部件，所以可以直接由机电一体化连接模块控制；附件:操作元件、显示元件和“电气”固定板的对象库；工件:不同组的工件，可作为运输和输送装置的物流；横轴:不同的机器人横轴(在软件“SL-MSM2101”或以上)；机器人:不同的机器人类型(在软件“SL-MSM 2101”或以上，视软件扩展程度而定)；传感器:不同的传感器；诸如此类。(3)建立对象之间的信号连接接受模拟所需的所有对象后，必须建立可编程控制器与执行器和传感器的输入和输出之间的连接。在实际应用中，可以与可编程控制器的线路连接进行比较。打开信号连接窗口后，您可以使用回车键或子项“新建.”来创建新的连接在“连接”菜单下。有

42、关这些端口的寻址或信号连接结构，请参见以下步骤:第一步:选择要连接和输出的对象；第二步:选择要连接的输出；第三步:选择要连接的对象并输入；第四步:选择要连接的输入；步骤5:输入描述发布操作的注释。图4.3信号连接结构的空对话框(4)硬件信号连接的调试完成方案的结构和形式，生成信号连接表后，为了检查接线和硬件结构，避免硬件移动时出现接线错误、碰撞等问题，可以不使用可编程控制器程序开始模拟调试。用户通过“手动”和“信号”将可编程控制器设置为“停止”。通过直接向输入和输出端子发送信号来检查硬件之间的运动和连接。如果发现问题，可以修改调试。为了清楚地显示仿真，建议同时打开带可视区域控制的可编程控制器的

43、仿真窗口和信号窗口。您可以在子项“信号.”中调用可编程控制器栏上已加载PLC的信号窗口下拉菜单“手动”下。(5)生成可编程控制器程序硬件搭建完成，信号和PLC的连接列表建立后，就可以在PLC编辑器中编写PLC程序，然后就可以用仿真进行测试了。您可以使用子项“编辑器.”在下拉菜单“手动(M)”下调用编辑器。PLC程序必须包含一个结构模块Ob_1，也可以调用功能模块Fc_1。(6)软硬件调试以上操作完成后，可以对编制的PLC程序进行仿真，最终可以对系统进行改进。通过模拟操作，操作人员可以对编写的程序进行检查和调试，并对各个硬件进行再次检查和调试。5零件处理系统的设计本课题在研究如何自动搬运和存储毛

44、坯件和成品件的基础上，利用前面介绍的MSM-2102软件模拟构建了一个由高架仓库和三轴机械手组成的毛坯件搬运系统。输送系统由西门子S7可编程控制器控制。根据前面介绍的MSM软件操作步骤，研究过程包括搭建新方案、搭建硬件、信号连接、硬件信号调试、编程和软硬件调试，最终得到满足要求的硬件系统和PLC程序。5.1系统硬件的选择和构建硬件建设要求本课题的具体目的是建造一个可以存放20个毛坯件的高架立体仓库，一个可以三轴移动的机械手，一个带有紧停按钮的操作面板，一个毛坯件处理系统。需要指出的是，在实际工作环境中，需要在高架仓库中运送的毛坯件不止一个，相关的控制流程和PLC程序会更加复杂，因此本课题可以作

45、为毛坯件搬运系统进一步研究和改进的前期研究。5.1.2系统硬件的选择和构建在软件界面上选择“计划”和“编辑对象”来选择和构建系统的硬件。图5.2该主题对象的编辑窗口(1)网格首先需要建立一个空间系统来容纳其他硬件设备，也就是建立一个三维坐标系网格。估计系统所需的大小，选择2*2m大小的网格。(2)SL-参数工作台以2*2m网格为坐标系，搭建支撑高架立体仓库和连接平台的工作台。根据项目的具体要求，选择尺寸可调的SL- parameter工作台。(3)3)PLC的选择S7系列可编程控制器包括S7-200、S7-300和S7-400，控制点由小到大。由于本课题所研究的立体仓库的控制系统中需要控制的设

46、备及其输入输出接口并不多，而且PLC需要的输入输出点数也不多，考虑到经济因素，选择西门子S7-200 PLC就足够了。所以以SL- parameter工作台为参考坐标系，选择需要的型号PLC16IO放在工作台上。(4)高层货架仓库工艺站(高架立体仓库)该系统有一个模拟高架立体仓库，即高层货架仓库工艺站。工艺站共四层，每层可放置五个工件，共可存放20个毛坯和成品零件。选择相同的处理站并将其放置在工作台上。(5)机械手软件搭建的四层高架仓库，有一个三轴运动机械手，工艺工位搭建时机械手已经搭建好了。机械手在X轴和Z轴的运动由电机控制，Y轴和手爪的运动由气动控制，用于移动机械手，抓取和运输毛坯件。此外

47、，必须防止机械手的X、Y和Z轴的移动超过极限位置。在机械手的X轴和Z轴的中间位置，还提供了用于打开和关闭夹持器以定位机械手的传感器。机器人可以同时向前(或向后)和向上(或向下)移动，各轴的速度可以通过设置参数来调节。(6)工件从工件仓库中选择一个直径为30mm、高度合适的圆形工件，放在高架仓库上。(7)连接平台从仓库中选择一个合适结构的连接平台，放在工作台上。并调整其高度，使机械手在Z轴向下极限位置松开手爪时，能安全地将工件放在连接平台上。(8)操作面板(8)操作面板控制系统必须配备紧急停止按钮，以防止事故发生。选择带有紧停、启动和停止按钮的操作面板，放置在工作台前方，便于操作。本课题选用的立

48、体仓库、机械手和连接平台的主要技术参数如下表所示:表5.1硬件主要参数可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)模型PLC16IO高架仓库层数四每层的工件数量五操作者X/Z轴滑块-传感器-重叠2MMx轴速度z轴速度y轴活塞冲程3CMy轴活塞-传感器-重叠2MMy轴活塞速度30毫米/秒工件直径30毫米高度连接平台高度42厘米5.2信号连接硬件设置好后，它们必须通过信号连接，即执行机构和传感器的输入或输出接口与PLC的I/O接口连接。按照前面介绍的连接步骤，先选择操作面板的输出，依次连接到PLC的输入，这样当绿色按钮按下时，PLC接收指令，系统运动开始；按红色按

49、钮停止；按下紧急停止按钮停止系统。选择高架仓库的8个输出端子，依次连接到PLC的输入端子。它们分别表示操纵器X、Y和Z轴的极限位置，以及X和Z轴的中间位置。它们是用于打开和关闭夹持器的传感器，用于在工作时定位机械手。所选的PLC输出端依次与控制面板的各个输入端相连，使工作信号通过PLC的输出传到控制面板，并由各种颜色的显示灯显示。再次选择PLC的输出，依次连接高架仓库的各个输入，这样控制信号通过PLC传递给机械手，机械手根据控制信号沿X、Y、Z轴运动，手爪开合。根据上述PLC输入输出的控制要求，得到PLC输入输出的I/O分配，如表5.2所示:表5.2 PLC输入输出I/O分配表输入端输出端PL

50、C地址名字PLC地址名字E4.0控制面板红色按钮A8.0操纵器向左移动E4.1控制面板的绿色按钮A8.1操纵器向右移动E4.2控制面板操作模式1A8.2机械手向下移动E4.3控制面板操作模式2A8.3机械手向上移动E4.4控制面板紧急停止按钮A8.4机械手退出动作E32.0左侧传感器A8.5爪闭合动作E32.1右侧传感器A9.0操作面板红灯E32.2机械手的上部传感器A9.1操作面板绿灯E32.3机械手的下部传感器A9.2操作面板黄灯E32.4机械手已脱离传感器。A9.3操作面板白光灯E32.5机器人夹子关闭传感器E32.6x轴工件位置传感器E32.7z轴工件位置传感器信号连接操作完成后，最终

51、的信号连接表显示在软件界面中:表5.3系统最终信号连接列表5.3控制流程图控制要求的分析本课题要求:搭建一个可以存放20个毛坯件的高架立体仓库，一个可以三轴移动的机械手，一个带停止按钮的操作面板，一个毛坯件处理系统。通过分析毛坯件处理过程的步骤和需要解决的技术问题，可以得出以下具体的控制要求:(1)操作面板操作面板上的每个按钮用来控制整个系统的启动和停止。绿色按钮用于启动系统，红色按钮用于暂停系统运行，紧急按钮用于在出现故障时停止整个系统。操作面板的绿灯在搬运系统启动后一直亮着，在输送系统暂停或紧急停止后绿灯熄灭。当输送系统暂停时，红灯一直亮，当输送系统未启动、运行或停止时，红灯熄灭。(2)机

52、械手当绿色按钮被按下时，PLC得到启动信号，通知机械手开始工作。首先，机械手同时沿X轴和Z轴移动。当X轴传感器收到信号1时，它停止在X轴方向上移动。同样，当Z轴传感器收到信号1时，它停止在Z轴方向上移动。此时，机械手在XOZ平面上对准待传送的工件。当XOZ平面被定位时，操纵器沿着Y轴前进以接近工件。当Y轴到达极限位置时，传感器信号为1，同时Y轴方向的运动停止，机械手的手爪从原来的张开状态闭合，抓取工件。为了确保工件被安全夹紧，Y轴在夹紧步骤后开始后退，使用定时器T1计时2S。当Y轴退回到极限位置时，传感器信号为1，Y轴停止移动。当Y方向开始后退时，为了防止拿着工件的机械手与上方的仓库发生碰撞，

53、在计时器T2计数2S后，X和Z方向同时开始后退。在X轴和Z轴后退的过程中，当Z轴到达中间等待位置时，Z轴的移动会暂停。当X轴到达右极限位置并停止向右移动时，Z轴将继续移动，直到传感器信号在下限位置为1，不再下移。当X轴和Z轴到达极限位置并停止时，机械手的手爪松开，工件放置在连接平台上。工件放置后，机械手从Z轴和X轴移回中间等待位置，完成输送毛坯件的操作。需要指出的是，如上所述，在实际工作环境中，高架仓库中需要运输的毛坯件不止一个，相关的控制流程会更加复杂。所以如果要进一步研究这个课题，可以在机械手完成这个操作过程，回到等待位置后，继续运送其他高架仓库的毛坯件，完善毛坯件搬运系统。5.3.2绘制

54、控制流程图。控制流程图是PLC程序设计的基础。只有设计好流程图，才有可能流畅方便地写出语句表或梯形图，最终完成程序设计。所以写流程图是关键，是编程的首要任务。根据上面列出的三轴机械手搬运系统的控制要求，绘制控制流程图，如图5.4所示。图5.4该任务控制流程图图5.4该任务控制流程图5.4 PLC程序根据三轴机械手搬运系统的控制要求和绘制的控制流程图，用STEP7语言编写了程序。该程序由组织模块OB1和功能模块FC1组成。5.4.1组织模块OB1调用1/用于调用功能模块。功能模块FC1NETZWERK 1:u 32.1/在x轴的右端u 32.3/在Z轴的上端u 4.1/按绿色按钮M2.1/设置中

55、间标记m 2.1。M2.5/设置中间标记m 2.5。a 9.1/绿灯亮了M2.1/中间标记m 2.1有信号。s 8.0/沿X轴向左移动s 8.2/沿Z轴向下移动e 32.1/不在X轴的右端e 32.3/不在Z轴的上端M2.1/重置中间标记m 2.1。NETZWERK 2:u 32.6/x轴方向传感器信号为1。/U A 8.0R8.0/x轴向左移动停止。U32.7/z轴方向传感器信号为1。/U A 8.2R8.2/z轴向向下运动停止。NETZWERK 3:u 32.6/x轴方向传感器信号为1。U32.7/z轴方向传感器信号为1。a 8.5/打开爪子/UN A 8.0/UN A 8.2M2.5/中

56、间标记m 2.5有信号。/U Z1a 8.4/夹具沿Y轴向前移动。/R M 2.5NETZWERK 4:u 32.4/夹持器已驶出。s 8.5/关闭夹具NETZWERK 5:u 32.5/夹持器已关闭。L S5T#2S /负载延迟开启定时器，计数值2SSE T0 / T0开始计数2S。U T0 /定时器T0信号为1a 8.4/夹具沿Y轴向后移动NETZWERK 6:e 32.4/夹爪不在Y轴退出位置。a 8.4/爪子不驱动。u 32.6/x轴方向传感器信号为1。U32.7/z轴方向传感器信号为1。M2.2/设置中间标记m 2.2。M2.2/中间标记m 2.2有信号。L S5T#2S /负载延迟

57、开启定时器，计数值2SSE T1 / T1开始计数2S。/SS T1U T1 /定时器T1信号为1/U Z1/R M 2.2R8.0/x向左移动复位R8.2/z向下移动复位s 8.1/沿X轴向右移动s 8.2/沿Z轴向下移动NETZWERK 7:U32.7/z轴方向传感器信号为1。Z1/计数器Z1减1u 8.2/正沿着z轴向下移动。信用证#2Z1/加载计数器，Z1设置为2。UN Z1M2.3/当计数器值为0时，设置中间标记m 2.3。M2.3/中间标记m 2.3有信号。u 8.2/正沿着z轴向下移动。e 32.1/未到达X轴的右端R8.2/z向下移动复位A8.2/Z不再向下移动M2.3/重置中间标记m 2.3。网络8:U32.1/x到达右极限位置。/U A 8.1欧洲联盟32.7UN Z1 / Z至等待位置。E32.2/Z方向未到达下限位置。/R A 8.1S8.2/z继续下移。NETZWERK 9:U32.