的搬运机械手设计PPT演讲稿.ppt
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基于PLC的搬运机械手控制系统设计王兆安2022/11/3摘要n本课题针对完成空调压缩机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。
采用西门子公司的SIMATICS7-200系列PLC作为核心控制器，外扩充定位模块EM253模块对伺服电机进行精确的定位控制，从硬件与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点分配与应用程序的设计，实现了机械手的上电初始化、零点复位、故障报警、手动运行、半自动运行与在无人看守时的自动运行。
最后完成系统控制，实现搬运任务。
1绪论n1.1引言n机械手是能模仿人手与臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
n机械手的种类，按驱动方式可分为机械式、气动式、电动式、液压式机械手；按适用范围可分为专用机械手与通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制与连续轨迹控制机械手等。
n本课题介绍了一种精确控制机械手的方法，以西门子公司的S7-200系列PLC作为机械手的主控制器，外接控制面板以实现对3自由度机械手控制的功能，实现一个精确的自动控制系统。
2022/11/3n1.2工业机械手的发展n机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。
它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。
n工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
2022/11/3n1.3机械手的应用意义n
（1）可以提高生产过程的自动化程度n
（2）可以改善劳动条件避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
n3）可以减少人力便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。
n1.4发展前景n随着科技日益进步，以前需要人工加工制造的行业开始向自动化技术转变。
作为近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机器人、机械手在现代制造技术领域中扮演了极其重要的角色，其能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，并有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作2022/11/32系统设计n2.1系统结构及流程n本课题的研究主要是将空气压缩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。
n机械手主要由手部、腕部、升降部、滑动部、机座与控制箱，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与相关控制器件安装于控制箱内，通过电缆与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，升降运动与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与料架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与抓取，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与掉电时能够自锁，保持当前的状态。
2022/11/3n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，半自动模式，自动模式n手动模工作式下，操作员可以通过控制面板控制机械手的单步运动与零点复位，能够在机械手故障时进行检修。
n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上无工件机械手下降放下工件，返回原点，一个周期的动作完成，机械手停机。
2022/11/3n自动方式开始工作下，按下启动按钮，两台伺服电机通电，滑台、升降台、气缸等回到原位，气压表显示正常。
机械手运动到上、左原点位。
当检测到料架1上有工件时，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2022/11/3n2.2系统主要部件选择n结合各种驱动类型的特点与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，机械手的升降与平移都采用交流伺服电机驱动，手部的开合采用气缸驱动。
n2.2.1气缸的选择n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与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。
并配有夹紧装置与行程开关。
n2.2.2阀门的选择阀门的选择n2.2.3行程开关的选择行程开关的选择2022/11/32022/11/3n2.2.4接近开关的选择n为了提高系统的可靠性与动作执行的准确性，选择OMRON公司的E2E-X5ME2型接近开关。
它的具体参数如下：
n
（1）检测距离：
5mmn
（2）电源电压：
DC1224Vn（3）消耗电流：
小于13mAn（4）检测物体：
磁性物体n（5）响应时间：
0.31msn（6）输出方式：
NPN输出n接近开关也叫近接开关，又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。
特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。
2022/11/3n2.2.5驱动电机的选择n为了方便设计与维修，升降电机与水平移动电机选用同一型号，根据经验选用松下公司MinasA4系列全数字式交流伺服电机与驱动器。
电机型号：
PanasonicMDMA152P1U（其中惯量，1.5KW，200V，增量式编码器，标准型，键轴，有制动器）。
第三章控制系统的硬件设计n3.1控制系统功能n本课题研究的机械手的控制特点。
n
（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与一个气动系统进行控制。
n
（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。
n（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。
2022/11/32022/11/3n本课题控制系统主要是实现以下几个控制功能：
n
（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、速度与加速度控制等。
n
（2）气动控制功能。
该功能主要是指手部抓放的运动控制，实现手部的开合与自锁等。
n（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，实现机械手的检测与故障修复功能。
n（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化控制系统进行信息交换、资源共享与协调工作等。
2022/11/3n3.2控制系统硬件结构n机器人控制系统硬件结构大体可分为集中控制、主从控制、分级控制等三类。
本机械手主要采用集中控制方式进行控制。
n3.2.1位控模块n现代可编程控制器一般都有位置控制功能，因此一般都配有位置控制模块单元，也称定位单元。
EM253位控模块是S7-200的特殊功能模块，能够产生脉冲串，用于步进电机与伺服电机的速度与位置的开环控制n它与S7-200通过扩展的I/O总线通讯，带有八个数字输出，作为智能模块出现在I/O组态中。
位控模块能够产生移动控制所需的脉冲串，其组态存储在S7-200的V存储区中。
2022/11/3n3.2.3控制系统硬件结构n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模块与位控模块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与生产线输入。
n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。
2022/11/3n本系统主要由PLC主控单元、伺服驱动器、继电器、各类传感器与控制面板等组成。
n主控制单元采用模块式结构，各功能模块独立封装，安装在机架与导轨上，它由nPLC模块、I/O模块、两个位控模块与触摸终端组成，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。
2022/11/3n3.3操作面板的设根据工件生产与搬运的特点与控制要求，机械手的控制按钮与指示灯分布如图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
（2）电源开关n（3）工作模式选择开关n（4）启动按钮n（5）试灯/报警清除按钮n（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。
n（7）复位按钮2022/11/3n图3-2操作面板示意图2022/11/3n3.4PLC系统设计n根据系统分析选择用“CPU226AC/DC/继电器24输入/16继电器输出”型PLC，同时，考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，增加10%-20%的裕量。
另配一个EM22324VDC数字组合8输入/8输出的扩展模块与两个EM253位控模块。
n3.4.1PLC的I/O分配表n
（1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、总停按钮等，还包括电动机的热保护继电器输入，外接电路电磁阀的输入点，伺服驱动器的输入等。
n
（2）PLC的输出端口包括运行指示灯、继电器、外部接口、伺服电机接口、EM253输入等。
nPLC输入、输出分配表如表1所示2022/11/3n3.4.2PLC的I/O接线图nPLC的输入接口I0.0I1.5为操作面板的输入按钮信号输入点，I1.6I2.3为行程开关的输入信号输入点，I2.4、I2.5为两个料架上接近开关的信号输入点，I2.6、I2.7为伺服驱动器的报警输入点，I3.0、I3.1为伺服电机定位完成的信号输入点。
PLC的输出点Q0.0Q0.6为各种灯信号的输出，Q0.7Q1.4输出给外部的信号，来确定机械手当前的状态，Q1.5Q1.7输出至伺服驱动器控制伺服电机的电源通、伺服的报警，Q2.0Q2.3输出至定位模块来控制伺服电机的运行停止，Q2.4、Q2.5接通至气缸控制阀控制气缸的伸缩。
2022/11/3nPLC的I/O接线图2022/11/3n3.5运动控制系统的实现n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，大大提高了抗干扰能力n运动控制系统由伺服控制系统与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。
本系统中只用到了X1，X2，X5，X6等四个接口，X1、X2、X6等接口线数少，而且供应商已经做好，直接接入电机即电源相应接口中即可。
而I/O接口（X5）则
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