完整版基于PLC的搬运机械手控制系统设计112.docx
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完整版基于PLC的搬运机械手控制系统设计112
基于PLC的搬运机械手控制系统设计
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PLC核心控制器。
目录2
1引言1
1.1搬运机械手的应用简况1
1.2机械手的应用意义2
2系统设计2
2.1系统结构及流程2
2.2系统主要部件选择4
2.2.1气缸的选择5
2.2.2阀门的选择6
2.2.3行程开关的选择6
2.2.4接近开关的选择6
2.2.5驱动电机的选择6
3控制系统的硬件设计7
3.1控制系统功能7
3.2控制系统硬件结构8
3.2.1位控模块8
3.2.3控制系统硬件结构9
3.3操作面板的设计9
3.4PLC系统设计11
3.4.1PLC的I/O分配表11
3.4.2PLC的I/O接线图11
3.5运动控制系统的实现12
3.6控制系统电路设计17
4系统软件的设计与实现19
4.1系统工作方式19
4.2程序设计19
4.2.1主程序设计19
4.2.2初始化子程序设计20
4.2.3复位子程序设计20
4.2.4报警子程序设计21
4.2.5手动运行子程序设计21
4.2.6半自动运行子程序22
4.2.7自动子程序设计23
5结束语25
致谢26
参考文献27
附录1系统配件清单28
附录2程序清单28
1引言
1.1搬运机械手的应用简况
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采用机械手操作。
（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。
1.2机械手的应用意义
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
2.1系统结构及流程
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：
图2-1机械系统整体布局示意图
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，半自动模式，自动模式。
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。
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。
机械手的工艺流程如图2-2所示。
2.2系统主要部件选择
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。
驱动元件是伺服系统的重要组成部分，是系统的执行元件，它的作用是把驱动控制线路的电信号转换为机械运动。
整个伺服系统的调速性能、动态特性、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、电气压驱动和电-液驱动三种基本类型。
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交流伺服电机驱动，手部的开合采用气缸驱动。
选择自动模式
图2-2机械手工艺流程图
2.2.1气缸的选择
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=©
50mm,活塞杆直径d=©16mm,行程长度L=100mm,驱动压力p=6bar=6X05Pa2.2.2阀门的选择
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公司的VZ110气开阀。
2.2.3行程开关的选择
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：
（1）检测距离：
5mm
（2）电源电压：
DC12〜24V
（3）消耗电流：
小于13mA
（4）检测物体：
磁性物体
（5）响应时间：
0.3~1ms
（6）输出方式：
NPN输出
接近开关接线图如图2-4所示。
图2-4接近开关接线图
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
制性能和高可靠性在数控系统中得到了越来越广泛的应用。
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
下公司MinasA4系列全数字式交流伺服电机和驱动器。
电机型号：
Panasonic
MDMA152P1U（其中惯量，1.5KW，200V，增量式编码器，标准型，键轴，有制动器）。
驱动器型号：
MDDDT5540。
额定转矩：
T额7.15Nm，最大转矩：
Tmax21.5Nm，额定转速：
V额2000rpm，最大转速：
Vmax3000rpm，电机惯量：
J电机12.310-4kgm2，脉冲数：
2500p/r，分辨率：
10000,线数：
5。
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，它的机能就像人的神经中枢，是保证机械手在搬运过程中安全可靠实用的关键，也是提高搬运效率、延长机械手使用寿命、降低故障率的重要环节。
作为指导机械手按要求合理动作的指挥机构，它的设计是机械手设计中的核心和基础，决定了机械手的控制性能的好坏。
3.1控制系统功能
控制是机器人技术中的一个关键问题，而控制系统的性能则是机器人发展水平一个重要标志。
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，实现机械手的检测和故障修复功能。
（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、资源共享和协调工作等。
3.2控制系统硬件结构
机器人控制系统硬件结构要围绕着如何更好地实现机器人的控制功能而设计和选择。
以控制器的核心计算机的分布方式来看，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。
在核心控制器的选择上可以有多种方案，目前在机电一体化设计中主要有三种：
单片机、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，也出现了运动控制卡和逻辑控制器等新型控制硬件。
考虑到控制功能简单、控制逻辑复杂，经过各方面分析比较，本课题采用西门子S7-200PLC作为控制器，并配有相应
的控制模块，来实现整个机械手的控制功能。
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，用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制。
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。
位控模块可提供单轴开环移动控制所需要的功能和性能，位控模块的特性如下：
（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）也可以使用脉冲数；
（4）提供可组态的backlash补偿；
（5）支持绝对、相对和手动的位控方式；
（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近方向进行选择；
（9）提供可拆御的现场接线端子便于安装和拆御。
323控制系统硬件结构
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。
图3-1控制系统硬件结构图
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。
（2）电源开关
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
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。
（4）启动按钮
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操作。
（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。
（7）复位按钮
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。
操作面板
◎
前进
后退
©
◎
停止
报警灯
©
©
上升指示灯
下降指示灯
试灯/报警消除
夹紧松开
©◎
夹紧指示灯松开指示灯
前进指示灯后退指示灯
急停
图3-2操作面板示意图
3.4PLC系统设计
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输出的扩展模块和两个EM253位控模块。
3.4.1PLC的I/O分配表
本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。
（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。
（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。
PLC输入、输出分配表如表1所示。
3.4.2PLC的I/O接线图
PLC的I/O接线图如图3-3所示。
PLC的输入接口10.0~11.5为操作面板的输入按钮信号输入点，11.6~12.3为行程开关的输入信号输入点，24、12.5为两个料架上接近开关的信号输入点，12.6、27为伺服驱动器的报警输入点，13.0、13.1为伺服电机定位完成的信号输入点。
PLC的输出点Q0.0~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状态，Q1.5~Q1.7输出至伺服驱动器控制伺服电机的电源通、伺服的报警，Q2.0~Q2.3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。
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，大大提高了抗干扰能力。
本系统中，为了防止电源共地干扰，现场信号都通过继电器隔离输出，而操作面板上信号则直接接入PLC的I/O口。
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。
本系统中只用到了X1，X2，X5，X6等四个接口，XI、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）则需要自定义。
伺服
驱动器X5的I/O接口如图3-4所示。
EM253与标准驱动器的接线图如图3-5所示。
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/平移正负极限开关分别接到相应EM253的LM+、LM-接口处和伺服驱动器的CCWL、CWL接口，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—伺服报警（ALM）、定位完成（COIN）与PLC相应接口连接。
伺服驱动器中提供了两组脉冲指令输入接口，一种为差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，利用伺服驱动器的差分电路专用脉冲串接口从EM253接出脉冲信号。
表1PLC的I/O地址分配表
输入点分配
输出点分配
地址
电气兀件
功能说明
地址
电气兀件
功能说明
I0.0
SF1
启动按钮
Q0.0
PG1
报警灯
I0.1
SF2
伺服报警清除
Q0.1
PG2
上升指示灯
I0.2
SF3
原点复位
Q0.2
PG3
下降指示灯
I0.3
SF4-1
自动工作方式
Q0.3
PG4
前进指示灯
I0.4
SF4-2
手动工作方式
Q0.4
PG5
后退指示灯
I0.5
SF4-3
半自动工作方式
Q0.5
PG6
夹紧指示灯
I0.6
SF5
机械手上升
Q0.6
PG7
松开指示灯
I0.7
SF6
机械手下降
Q0.7
KF1
上升完成
I1.0
SF7
机械手前进
Q1.0
KF2
下降完成
I1.1
SF8
机械手后退
Q1.1
KF3
前进完成
I1.2
SF9
机械手夹紧
Q1.2
KF4
后退完成
I1.3
SF10
机械手松开
Q1.3
KF5
加紧完成
I1.4
SF11
非常停止
Q1.4
KF6
松开完成
I1.5
SF12
停止
Q1.5
KF7
伺服1电源接通
I1.6
BG1
上升极限
Q1.6
KF8
伺服2电源接通
I1.7
BG2
升降原点
Q1.7
KF9
伺服报警解除
I2.0
BG3
下降极限
Q2.0
KF10
伺服1运行
I2.1
BG4
后退极限
Q2.1
KF11
伺服2运行
I2.2
BG5
进退原点
Q2.2
KF12
伺服1停止
I2.3
BG6
前进极限
Q2.3
KF13
伺服2停止
I2.4
BG7
料架1有工件
Q2.4
KF14
夹紧工件
I2.5
BG8
料架2无工件
Q2.5
KF15
松开工件
I2.6
KF1
伺服1报警
I2.7
KF2
伺服2报警
I3.0
KF3
伺服1定位完成
I3.1
KF4
伺服2定位完成
24VDC
1M
启动
SF1
0.0
1L
升级会员 