基于PLC的机械手搬运控制系统实现本科毕业设计论文.docx
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基于PLC的机械手搬运控制系统实现本科毕业设计论文
摘要
【摘要】机械手在柔性生产线中得到了广泛的应用，特别是电器制造、汽车维修、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
本文主要介绍了基于PLC的机械手搬运控制系统的实现，对物料搬运分拣单元的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析。
搬运分拣站根据上一站的加工信号，并通过磁性传感器和电磁阀对机械手的控制，完成物料的搬运和分拣。
本系统使用STEP7-Micro/WINV4.0编程软件，完成软件的编程，西门子S7-200完成机械手的顺序控制并由不同的气缸完成执行动作。
实现S7-300与S7-200构成主-从站的网络结构，在触摸屏上显示相关的操作信息。
【关键词】机械手；PLC；物料分拣；STEP7-Micro/WINV4.0。
英文题目
Abstract
【ABSTRACT】Manipulatorinaflexibleproductionlinewithawiderangeofapplications,especiallyintheelectricalmanufacturing,vehiclemaintenance,plasticsprocessing,generalmachinerymanufacturingandmetalprocessingindustries.
ThispaperdescribesthehandlingofPLC-basedmanipulatorcontrolsystem,theoverallstructureofthematerialhandlingsortingunit,theimplementationstructure,driveandcontrolsystemsanalysis.Handlingthesortingstationtostopprocessingthesignal,andcompletematerialhandlingandsortingbymagneticsensorsandelectromagneticvalvescontrolthemanipulator.
ThissystemusestheSTEP7-Micro/WINV4.0programmingsoftware,tocompletetheprogrammingofthesoftware,SiemensS7-200tocompletethesequenceofmanipulatorcontrolledbyadifferentcylindertocompletetheimplementationoftheaction.AchievetheS7-300andS7-200constitutethemaster-slavenetworkstructureonthetouchscreentodisplaytheoperatinginformation.
【KEYWORDS】manipulator；PLC；Materialsorting；STEP7-Micro/WINV4.0。
1引言
1.1研究目的与意义
在工业生产中，随着科学技术的发展，机械设备的自动化变得很重要，在一些高危行业中，工人长时间处于高危环境中。
机械手是自动化生产线中的执行机构，由于机械手的诞生，劳动力等到了解放，工作环境安全有了保障，工人的劳动强度和劳动风险也下降了，最主要的工厂的生产效率和利益显著提高，推动了工业生产机械化和自动化，因此获得日益广泛的应用。
随着工业科技的发展，产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新越来越快，原来的生产方式失去了竞争力。
柔性和生产率是相互矛盾的，生产率高的，往往设备的产品单一，大批量生产模式；而柔性的，设备处于频繁的调整状态，无法达到高生产效率。
为了实现两手抓，柔性自动化生产线系统在工业生产中诞生了。
本课题研究的柔性自动化生产线中机械手的搬运主要采用PLC控制，用S7-200作为搬运分拣操作站，根据上一站的加工完成信号和废料信号，完成废料分拣、搬运任务。
1.2MES及柔性自动化生产线
1.2.1MES的定义
美国先进制造研究机构AMR（AdvancedManufactureingResearch）将MES定义为：
“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”。
1.2.2柔性自动化生产线
柔性生产线是一种技术复杂、高度自动化的系统、它将微电子学、计算机、系统工程等技术有机结合起来，理想和圆满解决了机械制造搞自动化与高柔性化之间的矛盾[1]。
柔性自动化技术是工业发展的趋势，采用柔性自动化技术，减轻了工人的劳动强度，同时提高了生产效率和产品质量，而且大大的降低了成本，这是全世界机械制造业发展的趋势。
1.3PLC的历史，现状和趋势
1.3.1PLC的发展历史
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）产生于20世纪60年代末的美国，其功能一般只用于单一工序的自动控制，可以说是一种继电器控制装置的代替物。
1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置[2]。
微处理器使PLC结构也发生了变化，大大增强了其功能。
西方发达国家开始采用微处理器作为CPU之后，随着超大规模集成电路技术迅速发展，专用逻辑处理芯片出现，PLC在软硬方面都发生了巨大变化，PLC中采用的微处理器的芯片档次普遍提高。
到了二十一世纪，为了在ERP、MES和PCS的体系中立足，PLC的软件、硬件甚至联网通信都在向标准化发展，以期更好地满足工业生产的需求[3]。
1.3.2PLC发展现状
目前，国内外PLC的生产厂家较多，但不具备规模性，我国还未形成PLC的制造产业。
外国PLC厂家在中国设厂的局面已经形成，这对国内应用PLC是有利的．今后应给予鼓励。
PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。
对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数分类：
（1）按PLC的结构形式，分为整体式和模块式；
（2）按PLC的功能不同，分为低档、中档、高档；
（3）按PLCI/O点数，分为小型PLC、中型PLC、大型PLC。
1.3.3PLC的发展趋势
（1）产品的多样化；
（2）特殊功能模块的品种增加；
（3）功能扩展板趋向体积小、便宜；
（4）采用混合式结构；
（5）供应便宜和专用的人机接口；
（6）人机界面与PLC相结合[4]。
1.3.4本设计所使用的PLC
本系统设计使用的是西门S7系列的PLC：
（1）SIMATICS7-200PLC：
CPU224；
（2）SIMATICS7-300PLC：
CPU313C-2DP。
1.4机械手发展现状、趋势
1.4.1机械手
机械手用于固定程序抓取、搬运、操作工具的操作装置，代替工人完成高危险性的工作，保证工人的安全，完成生产线的自动化，提高生产效率，主要应用于机械制造、冶金等行业。
机械手首先是从美国开始研制的。
1954年美国工程师德尔沃最早提出机械人的概念；1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
1959年美国德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人；1962年美国正式将机械人的使用性提出来，且制造出类似人的手臂。
1.4.2国内外机械手的现状、趋势
目前研究的重点是采用全自动化机械手进行装配。
国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。
目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。
目前，高端的工业机械手发展趋向于高精化，高速化，多轴化，轻量化。
1.4.3本系统设计所使用的机械手
本系统采用的是SMC公司的产品——直线导轨平行移动型气爪MHZ2-16D，采用直线导轨，高刚性，高精度；防尘，防滴构造；可选择防尘罩材料。
1.5本章小结
本章概述了设计研究目的与意义，对PLC的发展历史、现状及其发展趋势和机械手的发展现状、发展趋势进行了总结，大致了解PLC和机械手，并简单介绍本机设计所使用的PLC和机械手产品。
2系统硬件
2.1MES网络型模块式柔性自动化生产线实训系统
产品如下图2-1：
图2-1MES网络型模块式柔性自动化生产线实训系统
模块式柔性自动化生产线实训系统是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品，它是为职业院校、技工学校、教育培训机构等而研制的，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、自动化工程、控制工程、测控技术、计算机控制、自动控制、机械电子工程、机械设计与理论、等相关专业的教学和培训。
它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计，强化了各种控制技术和工程实践能力。
系统由8个单元组成。
分别为：
上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元，控制系统可以选用西门子，进行控制，具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制。
2.1.1产品特点
（1）系统将机械、气动、电气控制、电机传动、传感检测、PLC以及工业网络控制技术有机进行整合，结构模块化，便于组合，可以完成各类单项技能训练和综合性项目训练。
可以进行机械部件安装与调试、气动系统的安装与调试、电气控制电路的安装和PLC编程、机电设备安装与调试、自动控制系统安装与调试、工业网络控制系统安装与调试于一体。
（2）系统采用统一标准接口，具有很高的兼容和扩展性，随工业现场技术的快速发展，本系统可以紧跟现场技术升级扩展，深入地满足实训教学的需要。
（3）西门子PLC采用西门子PROFIBUS-DP网络通信，使各站之间的控制信息和状态数据能够实时相互交换，配有10.4英寸，256色工业彩色触摸屏，实现工业控制。
2.1.2技术性能
（1）输入电源：
单相三线AC220V±10%50Hz；
（2）工作环境：
温度-10℃～40℃相对湿度≤85%（25℃）海拔＜4000m；
（3）装置容量：
≤1.5kVA；
（4）外形尺寸：
380cm×170cm×140cm；
（5）安全保护：
具有漏电压、漏电流保护，安全符合国家标准。
2.1.3系统配置
该系统由型材桌、上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元、分类单元、通信接口板、电气网孔板、按钮控制板、I/O接口板、各种传感器、警示灯、各类电磁阀和气缸等组成，完成工件上料、搬运、加工、分拣、输送、装配、分类等功能。
表2-1系统配置
序号
名称
规格
数量
单位
备注
1
工作台
470mm×860mm
9
张
2
上料检测单元
CPU224AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
3
搬运单元
CPU224AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
4
加工与检测单元
CPU224DC/DC/晶体管+EM223（22路数字量输入/18路晶体管输出）
1
套
5
搬运分拣单元
CPU224AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
6
变频传送单元
CPU224AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
7
安装单元
CPU224AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
8
安装搬运单元
CPU224AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
9
分类单元
CPU224DC/DC/晶体管（14路数字量输入/10路晶体管型输出）
1
套
10
主控单元
CPU313C-2DP（16路数字量输入/16路晶体管输出）
1
套
11
通信模块
EM277
8
只
12
变频器模块
西门子MM420功率≥0.37KW
1
台
西门子
13
触摸屏模块
10.4英寸TFT真彩，65K色
1
套
各站都可通过一块控制面板来控制PLC使各站按要求进行工作，一个控制面板上有5个按钮开关，二个选择开关和一个急停开关。
各开关的控制功能定义见下表2-2：
表2-2各开关的控制功能
序号
项目
说明
1
带灯按钮，绿色
开始
2
带灯按钮，黄色
复位
3
按钮。
黄色
调试按钮
4
两位旋钮，黑色
手动/自动
5
两位旋钮。
黑色
单站/联网
6
按钮，黑色
停止
7
带灯按钮，绿色
上电
8
急停按钮，红色
急停
2.1.4系统工作工程
下图给出了系统中工件从一站到另一站的物流传递过程：
上料检测单元将大工件按顺序排好后提升送出；搬运站将大工件从上料检测单元搬至加工站；加工站将大工件加工后送出工位；分拣站将加工过的正常的工件搬运到传送站，如果是废料，分拣机械手将工件搬运到废料处理机构；传输站将正常的大工件送至尾端，将废料分拣到废料槽里；安装搬运站将大工件从传输站搬至安装工位放下。
安装站再将对应的小工件装入大工件中。
而后，安装搬运站再将安装好的工件送分类站，分类站再将工件送入相应的料仓。
图2-2工作过程图
2.2搬运分拣站
图2-3搬运分拣单元组成
2.2.1主要组成与功能
搬运分拣单元由摆台、无杆气缸、薄型气缸、气动手指、推料气缸、磁性传感器、废料存储器、工业导轨、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀组成，主要完成根据上一站的加工完成信号和废料信号，完成废料分拣、搬运任务。
工件搬运到成品输送线上或搬运到废料盒处，摆台返回原位等待下一个。
（1）摆台：
由薄型气缸控制，实现三个位置向左、中间、向右的摆动。
（2）前臂单杆气缸：
控制摆台前臂上下动作，由单向电控阀控制，电磁阀得电，前臂底下。
（3）电磁阀：
用于控制各个气缸的升出、缩回动作。
（4）推料气缸：
完成废料的分拣任务。
（5）废料存储器：
系统检测为废料的工件，分拣出来，由推料气缸将工件推入废料存储器内。
（6）气动手指：
完成工件的夹取任务。
2.2.2气动手指、气缸及其气动技术
（1）气动手指：
MHZ2-16D，完成工件的夹取任务。
实物如下图2-3：
图2-4直线导轨平行移动型气爪MHZ2-16D
表2-3标准规格
缸径（mm）
16
流体
空气
动作型式
双动
最高使用压力（MPa）
0.1
环境和流体温度
-10~60℃
最高操作频率
180c.p.m
重复精度（mm）
±0.01
气缸位置磁环
有（标准）
润滑
不需要
接管口径
M3*08
图2-5外形尺寸图
上图中的尺寸数据见下表2-2，单位mm:
表2-4外形尺寸
A
B
C
D
E
F
G
H
30
16
M4*0.7深4.5
38
5
20.9
14.9
15
I
J
K
L
M
N
O
P
M4*0.7深8
24
24.5
7.5
42.5
67.5
3H9深3
6.5±0.02
Q
R
S
T
Y
Z
AA
BB
11±0.02
22
30.6
15
8
4
7
13
U
V
W
X
CC
DD
EE
FF
17H9深2
23.6±0.05
M4*0.7深8
M3*5
7.5
19
12.6
6.6
（2）气缸，本系统所用的气缸：
薄型气缸、无杆气缸、推料气缸。
Ⅰ无杆气缸，用于搬运过程，CY3RG20-600：
图2-6CY3RG20-600
表2-5产品规格
使用流体
空气
缸径
20mm
行程
600mm
耐压实验压力
1.05Mpa
最高使用压力
0.7MPa
最低使用压力
0.16MPa
环境及使用流体温度
-10~60℃
使用活塞速度
50-500mm/s
缓冲
两端橡胶缓冲
给油
不给油
Ⅱ薄型气缸，用于机械手上下伸缩MDU25-50DM：
图2-7MDU25-50DM
表2-6产品规格
动作方式
单杆双作用
缸径
25mm
行程
50mm
使用流体
空气
耐压实验压力
1.05Mpa
最高使用压力
0.7MPa
最低使用压力
0.05MPa
环境及使用流体温度
-10~60℃
使用活塞速度
50-500mm/s
缓冲
垫缓冲
给油
不给油
杆端形状
杆端外螺纹，杆端内螺纹
允许回转力矩
1.25N*m
Ⅲ推料气缸，用于废料推送，CDJ2B16-30：
图2-8CDJ2B16-30
表2-7产品规格
动作方式
单作用（伸/缩）
使用流体
空气
缸径
16mm
行程
30mm
最高使用压力
0.7MPa
最低使用压力
0.06MPa
环境及使用流体温度
-10~60℃
（3）气动技术是以压缩空气或其他气体为工作介质，利用其能量完成各项工作，由于气体的可压缩性，相对液压、电力等，气动技术有以下特点：
Ⅰ：
容易积聚能量。
小型压缩机配备储气罐，就可在间歇工作状态下输出较大能量，甚至可以预先封装压缩空气，以后不必供给能量即可产生力；Ⅱ：
借助气体的可压缩性，实现柔软操作；Ⅲ：
抗过载能力强，不易发热，不易因过载而发生事故；Ⅳ：
动作调整方便简单，并且便于控制。
可以进行检测、放大、传输、逻辑运算等信息处理；Ⅴ：
环境适应性强，环境污染小，防火防爆性好。
只要气动元件的材质和密封件许可，介质经适当处理，气动系统的适用环境温度范围大，可达-2O℃～200℃；Ⅵ：
可以构成低成本系统，气动元件结构简单，价格较低，维修保养方便，工作介质随处可取。
气动系统、装置投资成本及运行成本低。
为此，利用气动技术实现自动化素有低成本自动化之说；但是，气动技术也有某些弱势，例如速度控制和定位精度不高；驱动力不大，仅适用于中、轻负载；能量利用效率偏低等[9]。
2.2.3电磁阀
电磁阀在工业生产中应用非常广泛，在石油化工行业中尤为普遍和重要。
它可用于水、空气、蒸汽以及其他介质的开关控制（两通、三通），是安全联锁保护系统不可缺少的执行元件（三通、四通、五通）。
电磁阀由电磁部件、阀体组成，电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成；阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成[10]。
本系统所用的电磁阀：
单电控两位五通阀4V110-06，弹簧复位；双电控两位五通阀4V120-06；双电控三位五通阀4V130C-06，中封式。
图2-9双电控阀
2.2.4磁性开关
磁性开关最基本的功能就是检测气缸活塞杆伸出的位置，活塞上有一个磁环，气缸体上装了几只磁性开关，当活塞运动到磁性开关的位置，磁力使开关接合，产生一个电信号，这个信号由控制系统使用，或者使气缸停止，或者使其他机构开始动作。
因此，可以看出，磁性开关的作用就是检测活塞杆位置（行程），发出信号，用于控制系统。
图2-10磁性开关
表2-8产品规格
型号
适合负载
负载电压及电流范围
触电保护电路
内部电压降
指示灯
安装形式
D-A73L
继电器，程序控制器
DC24V；
5~40mA
无
2.4V以下
接通时发光二极管亮
轨道安装
D-C73L
环带安装
D-Z73L
直接安装
2.2.5调速阀、浮动接头
调速阀：
出气节流式,主要依靠压缩空气后排气减压来推动气缸动作，适用于单作用气缸及夹紧类型气缸。
图2-11调速阀
浮动接头：
当负载连接于气缸活塞杆端部时，浮动接头（SC-20-F/M6*1）可吸收活塞杆和负载的偏心或不平行对活塞杆产生的偏心负载和横向负载。
图2-12浮动接头
2.3主控单元
图2-13主控单元总图
2.3.1主要组成与功能
采用了先进的总线控制方式，增配有主控PLC、工业触摸屏、MCGS工业组态监控软件MES生产制造管理软件等，系统更加完整性，更能展现工业现场的工作状态及现代制造工业的发展方向。
MCGS工业组态监控软件：
当八个站全部进入联网状态时，管理员能够通过组态监控机中各种组态按钮方便的控制整个系统的运行、暂停、继续、停止等等；另外也可以控制单个站的运行、暂停、继续、停止等等。
每个站的工作状态以及工件的材质、颜色等在监控画面上也能够清楚的看到。
MES生产制造管理软件：
在整个系统的生产过程中，由MES生产管理系统制定下达各项生产计划任务，并实时地反映在MES上位机的监控画面上。
下层制造系统将整个系统的工作状态及当前工件加工状态作自动统计，并实时传输到生产管理系统MES。
具有计划、调度和实时监控等功能。
能够实现和系统组态监控软件的集成，实时监视生产线的生产情况。
2.3.2网络控制及工作流程
该单元的复位信号、开始信号、停止信号均从触摸屏发出，经S7-300PLC采集处理后，向各从站发送控制要求，以实现各站的复位、开始、停止等操作。
各从站在运行过程中的状态信号，应存储到该单元PLC规划好的数据缓冲区，以实现整个系统的协调运行。
配置各站EM277的地址：
上料单元为3，搬运单元为4，加工检测单元为5，搬运分拣单元9，变频传送单元10，安装单元为6，搬运安装单元为7，分类单元为8。
设置各站“单/联”开关打到“联”、“手/自”开关打到“自”时，上料单元最后切换，切换后上料单元自动运行，对工件进行上料操作；搬运单元将工件从上料单元搬运到加工与检测单元；加工与检测单元对物料进行加工和检测；搬运分拣单元分拣出废料到废料存储器中，将合格工件搬运到变频传送单元；变频传送单元分拣其他颜色工件，将黑、白工件传送到位，传感器检测到位后，等待安装搬运单元搬运。
安装搬运单元将工件从变频传送单元搬运到安装位；安装单元将小工件安装至工件中；分类单元将安装完成的工件根据颜色分类放入到相应的仓库位中。
2.3.3触摸屏
THMSRX-3型系统的人机界面采用MT4500C触摸屏。
人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以在屏幕上自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。
MT4500C触摸屏的接口：
（1）串行接口
MT4000有两个串行接口，标记为COM0、COM1。
两个口分别为公头和母头,以方便区分。
COM0为9针公头，管脚定义如下图:
图2-149针公口COM0
COM1为9针母头，管脚图如下。
与COM0的区别仅在于PC_RXD,PC_TXD被换成了PLC232连接的硬件流控TRS_PLC,CTS_PLC。
图2-159针母口COM1
（2）USB接口
MT4000提供了一个USB高速下载通道，它
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