基于PLC的搬运机械手控制系统设计

1摘要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运，可以更好的节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要是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。采用了电气一体化的设计方案，使用带自锁功能的气缸实现了机械手对工件的抓放和保证了在断气状态下机械手状态的保持，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SIMATICS7-200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。关键词搬运机械手定位模块EM2253控制系统可编程PLCSIMATICS7-200系列PLC1目录 2 11.1搬运机械手的应用简况 11.2机械手的应用意义 2 22.1系统结构及流程 22.2系统主要部件选择 42.2.1气缸的选择 52.2.2阀门的选择 6 62.2.4接近开关的选择 62.2.5驱动电机的选择 63控制系统的硬件设计 73.1控制系统功能 73.2控制系统硬件结构 8 8 9 93.4PLC系统设计 3.4.2PLC的I/O接线图 3.5运动控制系统的实现 4系统软件的设计与实现 14.2.1主程序设计 4.2.2初始化子程序设计 4.2.3复位子程序设计 4.2.4报警子程序设计 4.2.5手动运行子程序设计 4.2.6半自动运行子程序 22 5结束语 26 11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。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中搬运机械手主要应用于以下几方面：(1)热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要(2)冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。(3)拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。2由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。2系统设计本课题的研究主要是将摩托车发电机的曲轴从一个自动生产线搬运到另一个自动生产线的控制系统。两生产线的布置和具体位置参数如图2-1所示：3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，其运动由具有自锁功能的夹紧气缸完成；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。机械手还满足在断气和掉电时能够自锁，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，半自动手动模式工作下，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4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；气缸伸出夹紧工件，当气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；气缸缩回放开工件，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2-2所示。工业机器人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。驱动元件是伺服系件，它的作用是把驱动控制线路的电信号转换为机械运动。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。本机械手采用电气结合的驱动方式。其中，机械手的升降和平移都采用5图2-2机械手工艺流程图启动启动原点复位杏料架1有工件是机械臂快速下降到达升降原点机械臂慢速下降机械臂慢速上升到达下降2工位是否工件夹紧否是机械臂快速上升是机械臂慢速上升否到达升降原点是是料架2无工件否到达前进工位是机械臂快速上升是到达下降1工位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，选用FESTO公司生产的两端带有终端可调缓冲装置的SNU-50-100-PPV-A型双作用气缸。并配有夹紧装置和行程开关。如图2-3所示为气缸。活塞直径D=06门的选择阀门是为气缸提供的，气缸配备两个一位单通阀门，为了保证在断气的状态下不影响气缸内部的气压，所以选用气开阀，根据经验选用SMC开关的选择行程开关选用施耐德公司XCRA15型号的行程开关2.2.4接近开关的选择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：接近开关接线图如图2-4所示。棕棕黑蓝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。2.2.5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7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MDMA152P1U(其中惯量，1.5KW,200V,增量式编码器，标准型，键轴，有制动器)。3控制系统的硬件设计控制系统是工业机器人的重要组成部分，它的机能就像搬运过程中安全可靠实用的关键，也是提高搬运效率、重要环节。作为指导机械手按要求合理动作的指挥机基础，决定了机械手的控制性能的好坏。控制是机器人技术中的一个关键问题，而控制系统的性标志。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气动系统进行控制。(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)气动控制功能。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8(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机器人控制系统硬件结构要围绕着如何更好地实现机器机、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3.2.1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(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(4)提供可组态的backlash补偿；(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9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，手部的抓放由气缸来驱动，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，气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，并配有极限行程开控制面板控制面板关作为极限保护装置。机械手的控制系统硬件结构如图3-1所示。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。3.3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3-2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。(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。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1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。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(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。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。1操作面板开关◎◎000◎上升指示灯下降指示灯夹紧松开◎图3-2操作面板示意图3.4PLC系统设计现场设备数量加以确定。1Q0.0~Q0.6为各种灯信号的输出，Q0.7~Q1.4输出给外部的信号，来确定机械手当前的3.5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。本系统中只垂直运动的伺服驱动器与EM253接线图如图3-6所示，机械手的升降/平移正负极原点开关接到相应EM253的RPS(参考点开关)处。伺服驱动器的输入口一伺服使能(SRV-ON)、报警清除(A-CLR)和输出口一伺服报警(ALM)、定位完成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，1功能说明功能说明升降原点进退原点1半白动F50.5下降SF6前进SF7下降SF6前进SF7上升极限升降原点BG2料架2有工件BG11输出至操作面板输出至外部接口夹紧完成松开完成伺服1电源接通伺服2电源接通■何服1报警KF1何服2报警伺服1定位完成KF3伺服2定位完成十输出输出至KF15-伺服1运行伺服2运行伺服1停止伺服2停止操作面操作面板输入行程开关输入75配rSi勺驸3雪遍牌忠病容人电再车督蛊津电数：母取式跟人卷时A店iRM淤*牛日b即沁世290-0^0-----------------卜伍炉K常31问猫准备好35斗23zZ崩肚冲定位完成39皿阿排网11ZII盼?F诉修■曲输认矩限制40常EGV冥靴屯划加10-+10V主情片临札牌事通性测12 M4南OTOzP FT七吉古田0空K召3~图3-5定位模块EM253与标准驱动器接线图ALM+ALM-GND全全数口OB+OZ+345MMM图3-6伺服驱动器与定位模块EM253接线图Lo编码器RS232通电机接图3-7控制系统电源电路图口接口伺服驱动器伺服驱动器栅接口EP4系统软件的设计与实现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，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STEP7MicroWIN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4-1所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。系统上电系统上电定位模块使能手动新报警子程序图4-1主程序框图半自动子程序手动子程序半自动422初始化子程序设计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4-2所示。r延时30秒1图4-2初始化子程序框图回到机械手原点。复位子程序框图如图4-3所示。伺服1止方向找零点伺服1止方向找零点伺服2止方向找零点机.机械手在寻找原点是调用S7-200PLC定位模块EM253的回零子程序，定义机械手图4-4伺服电机运行回零子程序梯形图4.2.4报警子程序设计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报警消除。4.2.5手动运行子程序设计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。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4-5』松开』松开夹紧后退前进[上升j伺服i正转复位r复位复位r复位子程序阀阀2通阀1通图4-5手动运行子程序框图制，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4-6所示：11_伺般1卡降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图4-6伺服电机运行子程序梯形图寻找原点，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，系统半自动程序框图如图4-7机械手启动机械手复位机械手启动机械手复位否检测料架1有工件 427自动子程序设计疋二伺服1定位完成[二机械手上升到升降原点T否是是自动子程序(见附录)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24-8所示：U一检测料架1有工件.A是伺服1定位完成二A否否一是「是5结束语入、详细、系统地研究。通过研究，实现了对生产线上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。本论文是在钱伟红老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在此谨向钱伟红老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!最后，再次对关心、帮助2.王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009附录1系统配件清单名称型号数量按钮变压器1电磁阀SMC公司VZ1102电源1定位模块2断路器施耐德NSX100NMic2.240A4P4D3行程开关施耐德XCRA156急停按钮1继电器欧姆龙G5V-19接近开关OMRON公司E2E-X5ME22西门子6ES7216--2AD23--0XBO1气缸丁11伺服电机2伺服驱动器2选择开关2指示灯7附录2程序清单=//试灯===1Q0.3//伺服电源接通后伺服报警清零输出点Q1.7产生一个300ms的清零脉冲信号ASAAR//伺服1位控模块0启动//伺服2位控模块0启动AAA//半自动程序刚开始调用时，步进脉冲数清零As初始化子程序：AAS1//伺服1复位CALLSBR5,L63.7,//伺服2复位CALLSBR16,L63.7,//伺服1报警//伺服2报警OOOA=0=//网络注释//伺服1复位3//伺服2复位"参数复位//伺服1下降CALLSBR3,L63.7,VD500,VD504,1,11.4,M4.7,VB70,VD76,VD80//下降指示灯//伺服1下降完成=//夹紧工件，等待2秒SROQ2.5//伺服1上升CALLSBR5,L63.7,M5.0二CALLSBR14,L63.7,VD508,VD512,1,11.4,M5.1,VB72,VD84,V//前进指示灯=M5.1//前进完成//下降指示灯=Q1.0//放下工件，等待2秒二尺尺尺//伺服1复位