XY机械手自动装配机的PLC控制课程设计.docx
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XY机械手自动装配机的PLC控制课程设计
课程设计报告
项目名称X-Y机械手自动装配机的PLC控制
班级
姓名
指导老师
企业导师
2012.11
目录
一、设计任务……………………………………………………………………………3
二、PLC输入输出点数表…………………………………………………………………4
1．自动螺丝机输入输出点数表……………………………………………………4
2．X-Y锁丝机输入输出点数表………………………………………………………5
三、电气设计原理图……………………………………………………………………6
1．网络结构图……………………………………………………………………6
2．整体配电图…………………………………………………………………6
3．PLCLM3107输入输出电路图………………………………………………8
4．PLCLM3106输入输出电路图…………………………………………………8
5．驱动器电气连接图…………………………………………………………9
四、程序设计思想……………………………………………………………………9
1．螺丝机动作流程…………………………………………………………………10
2．机械手动作流程………………………………………………………………11
3．组态设计………………………………………………………………………12
4.程序的编写……………………………………………………………………15
五、调试方案……………………………………………………………………………18
1.系统运行前准备工作……………………………………………………………18
2.系统调试…………………………………………………………………………18
3.调试过程中出现的问题及解决方法………………………………………………19
4.实训经验及注意事项……………………………………………………………20
六、对于此次比赛的建议………………………………………………………………20
七、参考文献……………………………………………………………………………21
八、附录………………………………………………………………………………21
一、设计任务
自动螺钉装配机械手装置具备高效率、高可靠性、性价比高等优点，在自动化装配的电子行业、机械行业等各行业使用非常广泛。
本次设计所选被控对象为自动螺钉机械手装配装置。
由螺钉输送单元、X-Y螺丝装配机械手单元、报警和监控单元三大部分组成。
由主站PLCLM3107控制自动锁螺丝单元将螺钉送至锁丝扳手，再由从站PLCLM3106控制的X-Y螺丝装配机械手单元在孔台上安装出给定图形；通过触摸屏HT7000实时显示螺钉的动态安装过程和监控运行状态，并可在触摸屏上进行实时调控。
被控对象：
所选被控对象为自动螺钉装配机械手装置。
该装置分为自动螺钉输送机和X-Y螺钉装配机械手两大部分。
螺钉输送单元的基本功能：
螺钉输送机由料筒电机，毛刷电机，导料槽，直震器和吹气阀这几个主要部分组成。
采用和利时继电器输出型PLCLM3107作为主站控制。
执行机构是锁丝机和自动锁螺丝电批。
首先我们把需要装配的螺丝倒进料筒中，启动电源，料筒电机、毛刷电机和直震器同时启动，由直流电机驱动齿轮副把滚筒里的螺丝旋转带起掉进导料槽口中，导料轨装在直震器上，通过直震器震动把螺丝送到加料口，加料口上装有加料气缸，加料气缸通过推拉装置把螺丝单个放进透明的导料管里，经过气阀控制气压把螺丝吹到锁嘴上，用一个上下气缸带动旋转的电批把螺丝锁进螺丝孔内。
安装完以后，滑台和电批在步进电机的带动下，分别前往下一个位置，主站再重复上述控制动作。
X-Y螺丝装配机械手单元的基本功能：
螺丝装配机械手单元由X轴滑台，Y轴滑台，锁批组件和螺纹孔板等组成。
控制采用和利时晶体管型PLCLM3106。
X/Y两轴分别由步进电机M3，M4控制，当步进电机驱动器收到一个脉冲信号时，就驱动步进电机按一定的方向转动一个角度。
X轴上装有螺纹孔板，X轴滑台拖动螺纹孔板作纵向位置移动进行精确定位；Y轴上装有螺丝机锁批头，Y轴滑台带动它作横向位置移动进行精确定位；X-Y轴能同时动作走到指定的螺丝孔位置进行螺丝的装配。
螺丝装配机械手单元同时还带有手轮，可以方便进行X轴、Y轴调试操作。
触摸屏HT7000的基本功能：
HT7000人机机界面上主要有四个画面分别用于进行监视和调控自动螺钉机械手装配装置，四个画面分别是“螺丝机监控”画面、“X-Y定位控制”画面、“螺钉安装状态”画面、“参数设置”画面。
触摸就可以进入各个画面对螺丝机的运行进行调整设置和监控。
HT7000主要用来监控自动锁螺丝机和X-Y定位，同时可以对自动螺钉机械手装配装置进行手动控制，如控制吹料、气缸的上下运动等。
系统通讯功能：
系统通讯包括两部分：
①触摸屏监控和自动锁螺丝单元控制器LM3107之间的通讯；②自动锁螺丝单元控制器LM3107和X-Y螺丝装配机械手单元控制器LM3106之间的通讯。
触摸屏监控和PLCLM3107之间通过串口线相连，执行RS232通讯。
自动螺钉装配机械手控制系统中采用了两台PLC分别控制自动螺钉输送机和X-Y螺钉装配机械手，它们之间采用了主从式通讯方式。
和利时LM3400可以作为扩展模块增加LM系列PLC的串口数量，使得LM系列PLC在串口通讯方面变得更方便、更强大，以满足现场对多设备通讯的要求。
这里，采用LM3400实现LM3107和LM3106之间的通讯，通讯协议采用MODBUSRTU协议。
电气接线面板的基本功能：
电气接线面板上有电源面板和PLC输入输出点接线面板。
电源面板用于提供220V电源和24V电源的接线；PLC输入输出点接线面板上的接线端子则与PLC的输入输出点数保持一致，这样便于可以直接观察PLC各个点的作用。
上层面板是PLCLM3107及其扩充端口LM3400的接线，用于控制螺钉输送机；下层面板是PLCLM3106的接线，用于控制X-Y机械手。
两台PLC之间需要经过串行口进行通讯联机协作运行。
二、PLC输入输出点数表
1.自动螺钉输送机输入输出点分配表
自动螺钉输送的控制属于开关量的控制，其输入有螺钉输送机的启动，停止，急停等8个输出点包括料筒电机，出料阀，吹气阀等9个，其PLC的I/O分配及功能说明如下表所示：
序号
名称
地址
说明
类型
信号输入点说明
1
SB1
%IX0.0
螺钉输送机PLC启动
按下ON弹起OFF/自动复位型
2
SB2
%IX0.1
螺钉输送机PLC停止
按下ON弹起OFF/自动复位型
3
SB3
%IX0.2
螺钉输送机PLC急停
按下OFF弹起ON/手动复位型
4
PH1
%IX0.3
螺钉加料检测传感器
叉形光电开关NPN型DC24V
5
PX1
%IX0.4
螺钉滑牙检测传感器
接近开关M12NPN型DC24V
6
1B1
%IX0.5
出料气缸后位检测
磁性开关两线制DC24V
7
2B1
%IX0.6
锁丝气缸上位检测
磁性开关两线制DC24V
8
NJ
%IX0.7
扭矩达到输入信号
开关量信号
控制输出点说明
9
M1
%QX0.0
料筒电机螺钉上料转动
直流电机5WDC24V
10
M2
毛刷电机把料槽里排序不整的料扫出
直流电机2WDC24V
11
YV1
%QX0.2
出料阀控制拉动气缸落料
两位五通单电控阀DC24V
12
YV2
%QX0.3
吹气阀把落入透明管里的螺丝吹到锁嘴部位
两位三通单电控阀DC24V
13
YV3
%QX0.4
锁丝阀控制带动扳手的气缸下压锁紧
两位五通单电控阀DC24V
14
HL1
%QX0.7
螺钉锁紧过程中滑牙报警
DC24V
15
HL2
%QX1.0
料筒螺钉缺料报警
DC24V
16
ZZQ
%QX0.6
把料槽里的螺钉震动移动
AC220V
17
BS
%QX0.5
锁丝扳手
DC30V
基本参数：
（1）PLC-1型号：
和利时LM3107、LM3400
（2）料筒速度：
V=60r/min
（3）工作气压：
0.4—0.8MPa
2.X-Y锁丝机输入输出点分配表
X-Y锁丝机的控制属于开关量的控制，其输入点主要包括X、Y轴的限位点和参考点等共9个，输出点主要包括M3、M4电机的脉冲，方向，脱机等共8个，PLC的I/O分配表及其功能说明如下表所示：
序号
名称
地址
说明
类型
信号输入点说明
1
SQ1
%IX0.2
X轴后限位开关
接近开关、NPN信号、DC24V
2
SQ2
%IX0.6
X轴参考点开关
接近开关、NPN信号、DC24V
3
SQ3
%IX0.3
X轴前限位开关
接近开关、NPN信号、DC24V
4
SQ4
%IX0.4
Y轴左限位开关
接近开关、NPN信号、DC24V
5
SQ5
%IX0.7
Y轴参考点开关
接近开关、NPN信号、DC24V
6
SQ6
%IX0.5
Y轴右限位开关
接近开关、NPN信号、DC24V
7
SB1
%IX1.0
机械手PLC启动按钮
按下ON/弹起OFF/自动复位型
8
SB2
%IX1.1
机械手PLC停止按钮
按下ON/弹起OFF/自动复位型
9
SB3
%IX1.2
急停按钮
按下OFF弹起ON手动复位型
控制输出点说明
10
M3脉冲
%QX0.1
X轴（M3）电机驱动器控制脉冲信号接入点
脉冲信号
11
M3方向
%QX0.2
X轴（M3）电机驱动器控制方向信号接入点
方向信号
12
M3脱机
%QX0.3
X轴（M3）电机励磁失电控制信号输入点
脱机信号，为ON时电机停止转动，作为超程保护开关
13
M4脉冲
%QX0.7
Y轴（M4）电机驱动器控制脉冲信号接入点
脉冲信号
14
M4方向
%QX1.1
Y轴（M4）电机驱动器控制方向信号接入点
方向信号
15
M4脱机
%QX1.2
Y轴（M4）电机励磁失电控制信号输入点
脱机信号，为ON时电机停止转动，作为超程保护开关
16
HL1
%QX0.4
设备故障报警、超程报警等
红灯闪烁
17
HL2
%QX0.0
正常运行指示灯
绿灯闪烁
（1）机械参数:
1）X轴移动行程400mm;
2）X轴电机每转一圈移动10mm
3）Y轴移动行程400mm;
4）Y轴电机每转一圈移动10mm
（2）电气参数:
1）PLC控制器：
和利时LM3106
2）人机界面：
和利时HT7700T、7英寸彩色人机界面
3）驱动电机:
和利时56YBG250C-BASSBL-0241
4）电机驱动器:
和利时SH-20504
三、电气设计原理图
1．网络结构图
本系统的控制网络采用主从控制的方式，其结构如下图1所示，其中PLCLM3107作为主控PLC，LM3106为从站PLC，两者通过LM3400扩展模块进行联络。
主站PLC主要与触摸屏通过RS232进行通信，可以控制锁丝机的工作，还通过通讯扩展模块LM3400与从站PLC进行通信。
从站PLC主要通过控制步进电机驱动器来对步进电机进行控制。
图1系统网络结构图
2．整体配电图
本系统采用220V交流电源供电，由于料筒电机，毛刷电机，限位开关等的工作电源为直流24V，而扳手控制器，直震器控制器的工作电源为交流220V，故本系统供电分为两个部分，一部分工作电压为220V的设备直接采用市电供电，第二部分用开关电源将220V转换为直流24V，对24V设备进行供电，其配电图如图2所示。
图2系统整体配电图
3．PLCLM3107输入输出电路图
图3PLCLM3107输入输出电路图
4.PLCLM3106输入输出电路图
图4PLCLM3106输入输出电路图
5.驱动器电气连接图
图5驱动器电气连接图
四、程序设计思想
本次的程序设计主要分为三大部分，分别是自动锁螺丝机动作流程的程序设计，X-Y机械手动作流程的程序设计，组态画面的设计。
三者的关系是由主站继电器型PLCLM3107控制自动锁螺丝单元将螺钉送至锁丝扳手，再由从站晶体管型PLCLM3106控制的X-Y螺丝装配机械手单元在孔台上安装出给定图形。
PLCLM3400作为通讯扩展模块用于连接LM3107和LM3106进行通讯。
通过触摸屏HT7000实时显示螺钉的动态安装过程和监控运行状态，并可在触摸屏上进行实时调控。
1．螺丝机动作流程
Y
螺丝输送工作流程说明如下：
（1）料筒电机M1启动，齿轮传动料筒把料仓里的螺钉回转使螺钉自动掉入导料槽；
（2）直震器和料筒电机M1同时启动，导料槽固定在直震器上，当直震器震动时螺钉料有序移动，同时毛刷电机M2启动，把导料槽里不规则螺钉扫出，余下螺钉规则向外输送；
（3）当加料检测PH1传感器检测有料长达5秒后，加料电机M1、直震器全部停止工作，直到PH1在检测到无料后再次启动输送螺钉；
（4）待网络通讯X-Y机械手控制PLC2发来螺钉装配信号等待工作；得到装配信号后，出料阀YV1得电动作，气缸后位1B1检测到位至少1秒后复位出料气缸YV1；同时吹气阀YV2得电动作，吹气阀得电至少两秒后自动复位；
（5）锁丝扳手BS启动，锁丝阀YV3得电，扭矩到达后，复位扳手和锁丝阀YV3；
（6）当锁丝阀YV3复位后气缸上位2B1检测到位，网络通讯发出螺钉装配完成信号给X-Y机械手PLC2。
2.机械手动作流程
机械手动作说明如下：
（注：
H-行，L-列，比如H10L10代表第十行、第十列的螺钉孔）。
（1）按下启动按钮SB1，X轴电机（M3）自动回零位参考点SQ2、Y轴电机（M4）自动回零位参考点SQ5；
（2）自动回零后，机械手自动运转到H1位置，同时Y轴自动运行到L2位置；
（3）调试定位点是否准确，启动螺丝输送机，PLC1发出一个网络通讯信号到自动螺钉输送机控制PLC2，完成第一颗螺钉的装配工作；
（4）完成第一颗螺钉装配后机械手自动移动到第二个点的坐标位置，依次完成第二颗，第三颗…螺钉装配
（5）完成最后一颗螺钉装配后X-Y机械手自动回H23位置，同时Y轴自动运行到L23位置，完成装配任务。
3．组态设计
根据本次比赛的实际情况，我们设计了四个画面，分别是“螺丝机监控”画面、“X-Y定位控制”画面、“螺钉安装状态”画面、“参数设置”画面。
在螺丝机监控画面，我们设计了整个螺丝机的运行状态图并添加了手自动按钮，可以使设备自动运行或者由我们手动操作直震器、吹料阀、出料气缸等。
同时画面上设有报警字样用于显示运行出错并有报警复位按钮。
在X-Y定位控制画面，我们设计了原理图可以动态显示孔台和机械手的运动，同时画面上也添加了手自动按钮和X/Y轴正反向运动以及脱机按钮和报警复位、坐标复位按钮。
在螺钉安装状态画面上，我们设计了可以实时显示安装螺钉的画面，并可以显示出X轴、Y轴当前的点数以及装配的步数，同时设有坐标清除按钮用于清除完成的点的颜色。
最后的参数设置画面中，我们设计了显示启动频率、运行频率、变化频率孔距对应脉冲、X轴原点偏移脉冲和Y轴原点偏移脉冲的文本框，并设计了程序用于调节X轴原点偏移脉冲和y轴原点偏移脉冲。
并在画面上可以显示各个频率和脉冲的回读值用于检验作用。
（1）螺丝机监控画面，主要用于监控螺丝机和锁丝扳手的工作状态，并且能够对螺丝机进行点动控制。
图8螺丝机监控画面
（2）X-Y定位设备监控画面，主要用于显示X-Y机械手的动作状态并且能够对X-Y机械手装置进行点动控制。
图9X-Y定位设备监控画面
（3）X-Y定位状态显示画面，用于显示螺钉的安装状态，当运行到当前点时，颜色显示为绿色，安装完成的点显示为红色。
图10X-Y定位状态显示画面
（4）X-Y定位设备参数设置画面，用于设置X、Y方向的偏移脉冲，孔距对应脉冲，启动脉冲，运行频率和变化频率，显示回读值，用于监控是否正常运行。
图11X-Y定位设备参数设置画面
4.程序的编写
运用PowerPro软件实现软件编程的设计，借助软件的函数和功能块来实现相关功能。
通过PowerPro编程软件可以设计出一套完善的PLC控制程序，首先详细深入的学习PowerPro软件编程环境，包括主界面、菜单栏、快捷工具和对象组织器等；软件使用的基本步骤和基本使用方法；了解PowerPro软件中如何管理地址、变量和POU后，进一步了解如何编写程序，包括新建、PLC配置、程序编写、子程序调用、添加注释等。
具体步骤：
（1）自动螺丝输送机单步控制程序编写：
控制加料电机
控制毛刷电机
控制出料阀
控制吹气阀
控制锁丝阀
控制钢丝扳手
控制直震器
（2）二维移动机械手单步控制程序编写：
手动X电机脱节
手动Y电机脱节
X轴方向控制
X轴运动控制
控制X轴脉冲输出
Y轴方向控制
Y轴运动控制
控制Y轴脉冲输出
X_Y电机复位
（3）PLC通讯网络程序设计：
PLC通讯部分执行MODBUS主站通讯功能块，与X_Y定位PLC进行通讯
其余详细程序见附录
五、调试方案
1.系统运行前准备工作
（1）根据系统配置结构，检查硬件设备和外设的规格型号以及安装是否正确。
（2）确保电源接地，配线及接口连接正确无误。
（3）确保气泵工作达到规定气压范围。
（4）确保接线面板上的输入输出接线正确无误及各传感器正常工作。
（5）系统进行上电检查，运用HT7000下载触摸屏组态程序。
（6）运用Powerpro对LM3107下载螺丝机运行程序，运用Powerpro对LM3106下载X-Y机械手运行程序。
（7）确保两个PLC之间通信正常。
注：
两个PLC的com口闪烁及组态有回读值显示。
2.系统调试
（1）根据逻辑原理图，逐个检查逻辑点，可断开式接通各输入点，测试检查输入量的变化，每个逻辑点的测试必须覆盖所有输入触点的各种变化组合，测试过程应模拟进行，输入量可用测试开关，标准信号发生器模拟，输出可通过Powerpro检查。
（2）对螺丝机的调试，首先检查是否供电，直震器控制器电源是否打开，有没有调到半波震动，然后使用触摸屏对螺丝机各个部分分别进行点动测试，观察各个输出是否动作，PLC各个输出点指示灯是否点亮。
（3）对X-Y零点定位的调试，我们需要观察X-Y机械手的位置与我们在程序中的定位点的偏差为多少，根据一个孔距需要2400个脉冲信号在触摸屏上进行偏移量的参数设置（X方向前加后减，Y方向左加右减），修改参数之后再次启动X-Y机械手，观察是否定位准确。
3.调试过程中出现的问题及解决方法
根据本次比赛的要求，我们对系统设备进行了运行调试，通过调试检测系统设备性能和运行情况，发现操作系统中存在的问题和系统运行时的注意事项。
我们对调试期间记录的参数进行了分析，加以处理后提高了我们的操作技能。
调试过程中出现的问题主要有几下几个：
（1）在多次通过电脑下载程序到PLC之后出现了程序下载不进去的现象。
经过仔细的检查和咨询。
发现是我们在下载程序过程中出现了问题。
解决方法是：
在程序下载过程中，首先要将PLC拨到“STOP”档，然后再下载程序；一个程序下载完成后，必须断电将下载接头转换至其他PLC下载程序，其档位也应该拨至“STOP”档。
待程序全部下载完成后，将PLC与人机界面正确接线，再将PLC拨至“RUN”档位，接通电源，启动运行。
（2）在编写程序和组态界面的过程中，我们一开始总是不能正确的在人机界面上显示螺钉打孔的点。
经过多次的修改组态和程序后，我们找到了解决的方法：
首先我们需要在组态的实时数据库中写入我们需要的点的坐标，并将这些点的坐标与通道建立一一对应关系，再在组态上将这些点进行颜色填充连接。
修改完组态后，我们还需要在PLC程序X_Y子程序中将这些点与其对应的通道加入，建立正确的对应关系。
组态与PLC程序都修改完成后，下载执行即可正确的在人机界面上实时显示螺钉打孔位置。
（3）在机械手打螺钉的时候有时候会突然停止，我们经过观察组态发现是气压报警。
原因是气压不够了，解决方法是立刻把气泵打开进行充气。
充气完成后，机械手即可正常运行。
（4）有时候在机械手运行之前或者运行结束之后会出现机械手无法复位的现象。
针对这一现象，我们一开始以为是气压不够，打开气泵送气后还是会出现此情况，经过详细的排查后，我们发现是机械手限位报警灯亮了。
会出现此现象的原因是机械手X-Y超过了限定的位置，我们将X轴与Y轴进行手动调至限定范围内，再次运行设备时，无法复位的现象就解决了。
（5）我们在调试的过程中，有一次出现了机械手定位不准的问题，检查人机界面我们发现是X轴回读频率没有显示，我们立即对组态进行了检查和修改，几次修改坐标参数也无法解决。
后来我们转到检查程序，经过仔细的检查我们发现是X，Y的点的坐标没有一一对应，经过修改后再次运行时，回读频率有了，机械手也能精确的进行定位。
（6）在下载程序的过程中，有时候会突然出现连接断开的警告。
这种情况通常出现在一上电就下载程序的时候，解决的方法很简单，只要等系统完全上电PLC和人机界面都运行正常后再开始下载程序。
（7）在修改组态的时候有好几次我们修改后都出现了程序的错误，以及电动扳手会出现限位报警。
经过和运行正确的程序的比较我们发现，在修改组态对通道进行链接的时候，X和Y的偏移通道是不能更改的。
增加通道可以从312开始往后加通道。
经过修改之后，程序编写产生的错误没有了，电动扳手也能正确的复位和进行工作了。
4.实训经验及注意事项
（1）向PLC下载程序遇到问题时有几种调试方法
保证端口接线一致（一般计算机为COM1）
退出仿真模式重新下载（组态也要退出连机运行）；
（2）不论X、Y轴超过限位，指示灯都会报警，程序将不被执行；
（3）在程序中，X、Y点的坐标写错会导致原点定位不上；
（4）不触摸各类接线柱、元器件接线点；
（5）不将零散的导线放置在电气操作面板中；
（6）连接电气线路时关闭机器电源，确认无误后打开电源；
（7）注意观察所用电气原件的正负极接口以免误接；
（8）一旦出现短路且故障无法排除时，拔出所有的连接导线后方可重新上电调试；
（9）有时候要取出锁嘴螺丝时首先要将扳手移动到螺丝板外，用手按压锁嘴两侧螺钉即可掉出；
（10）使用时不要将杂物放置在运动部件上。
六、对于此次比赛的建议
（1）建议负责培训人员设计一个完整的PLC程序与组态，然后细分讲给大家。
将PLC设备上各个元件功能介绍一下。
（2）大赛应建立一个技术平台，用于积累经验，将一些优秀的作品建库存档，在以后的培训时拿出来进行讲解，这样一年比一年更进步。
（3）培训人员不光要培训具体实物，还应培训一些开发知识，如程序的应急处理，人员的分工。
（4）人机界面的接口设置有些不方便，下载程序时插拔接线比较困难，建议对此做些改进，可以将数据下载端口设置在HT7000侧面。
（5）机械手可以正传将螺丝
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