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汽车板簧搬运机械手控制系统设计
摘要
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
随着工业生产强度和效率的提高，机械手的应用越来越普遍。
通用机械手具有独立的控制系统，程序可变，动作灵活多样的优点。
本设计分执行机构、驱动系统、控制系统、位置检测等四个主要组成部分以实现对汽车板簧搬运机械手的控制。
该机械手可完成手动控制、单周期运动和连续周期运动、单步运动等四种控制方式。
本设计采用伺服电机来驱动机械手的运动，以西门子S7-200型PLC为控制器，并给出了详细的PLC程序设计过程。
最后，还设计了检测装置和行程保护等装置。
应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。
关键词：
搬运机械手，PLC，控制系统，驱动系统
Abstract
Manipulatorisanewtypeofdeviceintheproductionprocessofmechanizationandautomation.Withtheintensityandefficiencyofindustrialproduction，theapplicationofmechanicalhandisincreasing.Generalmanipulatorownstheadvantagesofindependentcontrolsystems，variableprocessandflexiblemovement.
Thisarticlecompletesthedesignofrobotcarsbanhuangcarryingmanipulatorsystemmainlyinthefieldsoftheexecutivebody，thedrivesystem，thecontrolsystemandthepositiondetection.Accordingtotheprocessofthecampaignrequirements，itincludemanualmovementcontrol，single-cyclemovementcontrol，thecontinuouscycleofmovementcontrolandSingle-stepmovementcontrol.Thisdesignusesaservomotortodrivetherobotmovement.BasedonthePLCofSiemensS7-200，thisdesignofthecontrolsystemintroducesthePLCinthegeneralmanipulatorhandlingcontrolsystem，andgivesdetailsprogramdesignprocessofthePLC.Finally，wealsoneedthedetectiondevicesandtripprotectiondevices.PLCcontrolledrobotcanfinishavarietyofrequiredactions.Itcannotonlyimprovethequalityandamountofproductbutalsohasaverysignificancetoprotectthepersonalsafety，toimprovetheworkingenvironment，toreducelaborintensity，toimprovelaborproductivity，toeconomizethematerialconsumptionandtolowertheproductioncosts.
Keywords:
CarryingManipulator，PLC，Controlsystem，Drivesystem
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
目录Ⅲ
第一章绪论1
1.1课题的目的和意义1
1.2资料调研与分析1
1.3研究的主要工作2
第二章方案论证与选择3
2.1原理分析与要求3
2.2控制方案的论证与选择4
2.2.1基于单片机的机械手控制4
2.2.2传统继电器实现对机械手的控制4
2.2.3利用PLC实现对机械手的控制4
2.3机械手控制系统原理图6
第三章系统的硬件设计7
3.1机械手爪的选型7
3.2驱动电机的选型8
3.2.1步进电机和交流伺服电机的性能比较8
3.2.2直流伺服电机和交流伺服电机的性能比较10
3.2.3交流伺服电机的选型11
3.3检测和保护装置的选型14
3.3.1行程开关的选型14
3.3.2光电开关的选型14
3.3.3高速计数器的选型15
3.4控制面板设计16
3.5PLC选型16
3.5.1PLC的类型16
3.5.2输入输出模块的选择17
3.5.3开关电源的选型17
3.5.4存储器的选择18
3.5.5经济性的考虑18
3.6PLC原理接线图20
第四章系统的软件设计23
4.1控制系统总程序流程图及原理23
4.1.1总程序流程图23
4.1.2控制系统原理23
4.2自动控制子程序设计23
4.2.1自动控制子程序流程图23
4.2.2自动控制子程序原理及程序设计24
4.3手动控制子程序设计32
4.4复位子程序设计33
结论34
参考文献35
致谢36
第一章绪论
1.1课题的目的和意义
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环境中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
汽车板簧搬运机械手的应用可以改善劳动条件，避免人身事故，可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了生产效率和工人的劳动条件。
在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故，可以减少人力，便于有节奏地生产。
1.2资料调研与分析
工业机械手最早应用在汽车制造业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。
因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。
在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。
国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。
目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中。
国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。
如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能[1]。
在汽车装配业中，板簧的重量很大，为了减轻劳动强度，改善作业条件，使用汽车板簧搬运机械手爪持板簧，控制板簧的升降、伸缩、旋转等运动方式，改善了工人的劳动条件，可部分或全部代替人安全地完成作业。
1.3研究的主要工作
本文主要工作是应用PLC（可编程控制器）实际设计一个汽车板簧搬运机械手，能实现搬运机械手的基本功能。
工作内容:
（1）阐述机械手研究的的目的和意义；
（2）机械手的方案选择与实现；
（3）机械手的硬件设计原理,包括可编程控制器型号的选定，PLC的电气连线图，I/O地址分配表等；
（4）机械手的软件设计原理，包括流程图，相关子程序；
（5）最后是系统调试和参考文献的列举。
第二章方案论证与选择
2.1原理分析与要求
机械手动作示意图如图2-1所示：
采用电气控制的搬运机械手，其任务是把左工位的工件搬运到右工位，机械手的工作方式分为手动、单步、单周期和连续。
工作原理如下：
机械手在原位，按启动按钮机械手开始下降，下降到位后自停；接着机械手夹紧工件后开始上升，上升到位后自停；接着机械手开始右行，直到右行到位后自停；接着机械手开始下降，下降到位后自停；接着机械手放松工件后开始上升直到上升到位后自停；接着机械手开始左行到位后自停，至此一个周期的动作结束。
若为连续工作方式，则继续下一个周期的运行，若为单周期工作方式，则机械手返回原点后自停。
若为单步工作方式，则指按下启动按钮机械手动作一次。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。
2.2控制方案的论证与选择
2.2.1基于单片机的机械手控制
由单片机设计的系统都有一个共性就是抗干扰性差,因为机械手一般都用在干扰源比较多、情况比较复杂的工业现场,所以由单片机设计的系统很难保证长期稳定的工作。
所以不宜选用此方案。
2.2.2利用传统继电器实现对机械手的控制
此控制系统可利用四个传统继电器作为限位开关，并加上辅助电路以实现机械手的功能。
但是由于传统继电器触点接触不良容易出现故障，并且接线复杂抗干扰能力差，难以实现模块化和智能化，性价比较低。
所以这种控制方式已经逐渐被淘汰，显然此控制系统不能选用此方案。
2.2.3利用PLC实现对机械手的控制
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计[2]。
PLC的主要特点：
1．高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms[3]。
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2．丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。
3．采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4．编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5．安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
此控制系统利用PLC就可以非常容易的实现。
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10[4]。
PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。
综上所述，选用PLC实现对机械手的控制为最佳方案，本次设计选用此方案。
2.3机械手控制系统原理图
通过对汽车板簧搬运机械手工作原理与开展要求的分析，机械手控制系统原理图如图2-2。
第3章系统的硬件设计
3.1机械手爪的选型
机械手爪的种类，按驱动方式可分为机械式、液压式、电动式、气动式机械手爪[5]。
1．机械式机械手爪
机械式机械手爪是最古老的机械手爪，它结构简单，自由度低，操作极不灵活，不宜实现自动化控制，因而不适合智能化工业生产，已经逐渐被淘汰，显然不宜采用机械式机械手爪。
2．液压式机械手爪
液压机械手主要由夹紧缸、伸缩缸、升降缸、回转缸组成，实现空间夹紧、平动、俯仰、回转4个自由度动作，有较强的灵活性[6]。
但是液压系统具有以下几个缺点：
（1）损失大、效率低、发热大。
（2）不能得到定比传动。
（4）采用油作为传动介质时还需要考虑注意防火的问题。
（5）液压元件加工精度要求高，造价高。
（6）液压元件的故障排查比较难，对操作人员的技术水平要求高。
所以在没有特殊要求的情况下，工业上简单的搬运机械手不宜采用液压机械手爪。
3．电动式机械手爪
电路结构复杂，维修人员技术要求高，成本较高，不适合简单的工业机械搬运。
4．气动式机械手爪
气动技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传递技术，其工作可靠性高、使用寿命长、对环境没有污染，所以在机械手爪的驱动系统中常采用气动技术。
气动机械手爪作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点[7]。
因此，本设计采用气动式机械手爪。
3.2驱动电机的选型
3.2.1步进电机和交流伺服电机的性能比较
1．步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性，具有优秀的起停和反转响应，由于没有电刷，可靠性较高，但是有其缺点：
（1）低频特性
步进电机在低速时易出现低频振动现象。
振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。
这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。
当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等[8]。
（2）速度响应性能
步进电机速度响应性能差，从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。
（3）矩频特性
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。
（4）运行性能
步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。
（5）控制精度
两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。
也有一些高性能的步进电机步距角更小。
如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角[9]。
（6）过载能力
步进电机一般不具有过载能力。
在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象
2．交流伺服电机
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
（2）低频特性
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
（2）速度响应性能
交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
（6）矩频特性
交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
（7）运行性能
交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
（8）控制精度
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。
以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。
对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
（6）过载能力
交流伺服电机具有较强的过载能力。
以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。
其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩[10]。
考虑本设计的机械手控制系统的控制要求：
最大运动速度：
0.4m/s；
横向移动距离：
≤6000mm；
纵向移动距离：
≤1200mm；
板材长度：
600～1600mm；
板材宽度：
40～120mm；
板材最大厚度：
≥60mm；
板材重量：
≤60kg；
移动精度：
≤±0.5mm。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。
选用交流伺服电机才能满足要求，故选用交流伺服电机较为合适。
3.2.2直流伺服电机和交流伺服电机的性能比较
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。
交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。
90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。
交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。
永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
（2）定子绕组散热比较方便。
（3）惯量小，易于提高系统的快速性。
（4）适应于高速大力矩工作状态。
（5）同功率下有较小的体积和重量。
考虑本系统的设计要求，选用交流伺服电机较为合适。
3.2.3交流伺服电机的选型
1．交流伺服电机的介绍
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。
交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。
目前应用较多的转子结构有两种形式：
一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。
交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。
当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。
交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。
当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种[11]。
2．交流伺服电机的选型
通过对多种电机的综合比较，本系统采用松下MINASA4系列交流伺服电机，该系列电机有以下优点：
采用全封闭的无刷构造，不需要定期维修。
其定子省去了铸件壳体，结构紧凑，外姓尺寸小，重量减轻。
定子铁心较一般电动机开槽多且深，围绕在定子铁心上，绝缘可靠，磁场均匀。
可对定子铁芯直接冷却，散热效果好，因此可实现高扭矩／惯性比，动态性能好，运行平稳。
根据本设计的主要技术指标与参数，选择伺服电机型号及配套的伺服驱动器如表3-1所示。
所选电机驱动器的主要参数如表3-2所示。
所选伺服电机的主要参数如表3-3所示。
表3-1电机和驱动器型号
伺服电机
驱动器
编码器
MSMA302P1H
MFDDTA390
增量式（2500脉冲/转）
MDMA502P1H
MFDDTB3A2
表3-2松下伺服驱动器的主要参数
型号
功率器件的最大额定电流
电源电压规格
电源检测器额定电流
输入
频率
功率
MFDDTA390
100A
200V
90A
50/60Hz
3KW
MFDDTB3A2
150A
200V
120A
50/60Hz
5KW
表3-3松下电机主要参数
电机型号
额定输出
电压规格
惯量
轴
油封
MSMA302P1H
3KW
200V
小惯量
键轴
有
MDMA502P1H
5KW
200V
中惯量
键轴
有
电机型号
保持制动器
光电编码器
类型
脉冲数
分辨率
线数
MSMA302P1H
有
增量式
2500
10000
5-线
MDMA502P1H
有
增量式
2500
10000
5-线
3．伺服控制器的输入输出和参数的设置
松下MINASA4系列伺服驱动器的控制信号为数字信号十点输入、六点输出。
机械手控制系统采用伺服驱动器六种控制方式中较为简单的位置控制模式，共用到了5个输入点、3个输出点，如表3-4所示。
为了使伺服系统工作于最佳状态下，需设置其参数见表3-5。
表3-4伺服启动器控制端口I/O分配
端口
功能注释
端口
功能注释
I0
伺服使能输入
I4
CW驱动禁止输入
I1
偏差计数器清零输入
Q0
伺服准备输出
I2
指令分倍频选择输入
Q1
伺服报警输出
I3
CCW驱动禁止输入
Q2
定位结束输出
表3-5 伺服电机驱动器参数设置
参数编号Pr.
参数名
设置值
说明
02
控制模式选择
0
设置为位置控制模式
04
行程限位设置
0
行程限位有效
41
指令脉冲输入
升级会员 