基于PLC的生产线搬运机械手控制系统设计.docx
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基于PLC的生产线搬运机械手控制系统设计
基于PLC的生产线搬运机械手控制系统设计
毕业论文
题目基于PLC的生产线搬运机械手
控制系统设计
姓名薛博隆
学号1320302236
专业班级机电一体化1302
指导教师钱振华
2016年4月20日
湖职院机电一体化专业毕业论文
基于PLC的生产线搬运机械手控制系统设计
学生：
薛博隆
指导教师：
钱振华
摘要
搬运机械手在自动化生产线上是一个重要的装置，他能精确定位并抓起工件搬运到另一个工作站并放下，具有故障报警，安全稳定的功能。
系统采用的是PLC控制。
文中通过对生产线的分析，确定了生产线搬运机械手的机械结构，通过对机械手的工作原理与机械手的控制要求，确定了适合的PLC型号进行了I/O口的分配，对伺服电机的定位控制进行了软件设计。
研究表明，机械手具有良好的位置控制精度，运行的可靠稳定性，和简单的控制方法。
关键词：
生产线机械手；气动原理；伺服电机；PLC
第一章前言
机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，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。
主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
那么搬运机械手都有哪些形式呢？
1、圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。
具有直观性好、结构简单、本体占用的空间较小的特点。
其动作范围可分为：
一个旋转运动，一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，两个直线运动加一个旋转运动。
2、直角坐标式机械手
直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机械手。
它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式x、y、z3个方向的直线进行运动。
其工作范围可以是1个直线运动、2个直线运动或是3个直线运动。
如在x、y、z3个直线运动方向上各具有A、B、C3个回转运动，即构成6个自由度。
3、关节式机械手
关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动形式。
它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。
4、球坐标式机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多、用途较广的机械手。
球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动。
搬运机械手是给我们节约了很多的劳动力并且提高了效率，但是要想效率更高就要选择正确的搬运机械手。
大学即将毕业，毕业设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。
随着我国经济的迅速发展，采用PLC的技术得到愈来愈广泛的应用。
第二章生产线机械手的结构及工作原理
2.1自动化生产线布局
图1自动化生产线示意图
首先我们来熟悉一个这个系统，图1是一个自动化生产线的简化示意图。
如图1所示，这个系统是由5个独立不同的站点组成的。
供料站实现物料物料的供给；加工站独立加工由机械手送来的物料；装配站将加工完成的零件与配合零件进行组装，由细分步进电机驱动驱动步进电机实现一个工位1/3圈；分拣站分拣加工组装完成的工件，由金属传感器，光纤传感器组成；搬运站主要完成抓取于放下的动作，将供料站的物料搬运到加工站，并等加工站完成加工，再将工件搬运到装配站装配，最后将装配完成的元件搬运到分拣站进行分拣。
2.2生产线机械手的结构
图2
1.推料气缸2.井道式工件库3.加紧/放松气缸4.伸缩气缸
5.旋转气缸6提升下降气缸
图2为供料站与搬运站的气动机械手的结构及动作示意图，主要由伺服驱动器、直线导轨、四自由度搬运机械手、定位开关、行程开关、支架、机械零部件构成。
其主要元件功能如下：
1.伺服驱动器：
用于驱动伺服电机。
2.磁性传感器1：
用于升降气缸的位置检测，当检测到气缸准确到位后给PLC发出一个到位信号。
3.磁性传感器2：
用于旋转气缸的位置检测，当检测到气缸准确到位后给PLC发出一个到位信号。
4.磁性传感器3：
用于带导杆气缸的位置检测，当检测到气缸准确到位后给PLC发出一个到位信号。
5.磁性传感器4：
用于平行气夹的位置检测，当检测到气缸准确到位后给PLC发出一个到位信号。
6.行程开关：
其中一个给PLC提供原点信号；另外两个用于硬件保护，当任何一轴运行过头，碰到行程开关时，断开步进电机控信号公共端，使步进电机停止运行。
7.电磁阀：
升降气缸、旋转气缸、带导杆气缸用二位五通的带手控开关的单控电磁阀控制；平行气夹用用二位五通的带手控开关的双控电磁阀控制，四个电磁阀集中安装在带有消声器的汇流上。
当PLC给电磁阀一个信号，电磁阀动作，对应气缸动作。
8.升降气缸：
由单控电磁阀控制。
当气动电磁阀得电，气缸伸出，将机械手抬起。
9.旋转气缸：
由单控电磁阀控制。
当气动电磁阀得电，将机械手旋转一定角度。
10.带导杆气缸：
由单控电磁阀控制。
当气动电磁阀得电，将机械手伸出。
11.平行气夹：
由双控电磁阀控制。
当气动电磁阀一端得电时，平行气夹张开或夹紧。
12.端子排：
用于连接PLC输入输出端口与各传感器和电磁阀。
2.3生产线机械手的工作原理
图3气动原理图
生产线搬运机械手的气动原理如图3所示。
该气动系统主要包括4个气缸：
提升气缸、旋转气缸、手爪伸出气缸、夹紧气缸。
其中提升气缸、旋转气缸、手爪伸出气缸均由单电控二位五通阀1YV、2YV、3YV控制。
单向节流阀用来提高气缸动作时的速度稳定性。
该气动机械手工作过程为：
搬运机械手手臂提升→手臂伸出→手臂下降→手爪夹紧→手臂提升→手臂缩回→伺服驱动器发送一个工作距离脉冲→搬运站移动到加工站→手臂伸出→手臂下降→手爪放开→手臂缩回。
加工站到装配站的工作过程为：
搬运机械手手臂提升→手臂伸出→手臂下降→手爪夹紧→手臂提升→手臂缩回→手臂下降→伺服驱动器发送一个工作距离脉冲→搬运站移动到装配站→手臂提升→手臂伸出→手臂下降→手爪放开→手臂缩回。
装配站到分拣站的工作过程为：
搬运机械手手臂提升→手臂伸出→手臂下降→手爪夹紧→手臂提升→手臂缩回→手臂左转→伺服驱动器发送一个工作距离脉冲→搬运站移动到分拣站→手臂伸出→手臂下降→手爪松开→手臂缩回→搬运机械手回到供料站复位→手臂右转。
第三章生产线搬运机械手控制要求
3.1生产线搬运机械手控制系统设计
生产线搬运机械手采用气动阀控制，在搬运工件过程中，实现机械手搬运工件的精确控制，同时显示系统的工作状态。
出现突发事件时，应做相应处理。
具体要求如下。
按“复位SB1”按钮，机械手返回原点，手爪缩回、张开，提升气缸处于下限位、旋转气缸处于右限位状态。
按“启动SB2”按钮,系统启动，机械手先提升，接着机械手伸出，手爪夹紧，模拟取工件动作。
接着机械手移动至加工单元物料台正前方，机械手伸出到位后，机械手下降，手爪松开，模拟放工件动作。
过3S后，重复上述模拟取工件动作，完成后机械手移动至装配单元，机械手伸出到位后，机械手下降，手爪松开，模拟放工件动作。
过0.5S后，重复上述模拟取工件动作，完成后机械手移动至分拣单元，逆势时针旋转90度，重复上述模拟放工件动作，完成后机械手返回原点，途中顺时针旋转90度，返回时先快速返回，接近原点时以恒定的低速返回原点。
搬运机械手按上述过程循环模拟搬运工件。
下图所示程序的顺序控制图
图4顺序控制图
3.1.1搬运机械手动作流程工艺分析
根据生产线搬运机械手的动作流程及系统的工作原理，将生产线机械手动作顺序、电磁铁状态以及伺服电机的脉冲信号PUL和方向信号SIGN的状态列于表1、表2、表3所示。
顺序
动作名称
电磁铁状态
伺服电机驱动器
1YV
2YV
3YV
4YV1
4YV2
PULSE
SIGN
1
手臂提升
+
-
-
-
+
2
手臂伸出
+
-
+
-
+
3
手臂下降
-
-
+
-
+
4
手抓夹紧
-
-
+
+
-
5
手臂提升
+
-
+
+
-
6
手臂缩回
+
-
-
+
-
7
电机正转1个工位
+
-
-
+
-
+
-
8
手臂伸出
+
-
+
+
-
9
手臂下降
-
-
+
+
-
10
手抓松开
-
-
+
-
+
12
手臂缩回
-
-
-
-
+
表1供料站到加工站工作原理
顺序
动作名称
电磁铁状态
伺服电机驱动器
1YV
2YV
3YV
4YV1
4YV2
PULSE
SIGN
1
手臂提升
+
-
-
-
+
-
-
2
手臂伸出
+
-
+
-
+
-
-
3
手臂下降
-
-
+
-
+
-
-
4
手抓夹紧
-
-
+
+
-
-
-
5
手臂提升
+
-
+
+
-
-
-
6
手臂缩回
+
-
-
+
-
-
-
7
电机正转1个工位
+
-
-
+
-
+
-
8
手臂伸出
+
-
+
+
-
-
-
9
手臂下降
-
-
+
+
-
-
-
10
手抓松开
-
-
+
-
+
-
-
12
手臂缩回
-
-
-
-
+
-
-
表2加工站到装配站工作原理
顺序
动作名称
电磁铁状态
伺服电机驱动器
1YV
2YV
3YV
4YV1
4YV2
PULSE
SIGN
1
手臂提升
+
-
-
-
+
-
-
2
手臂伸出
+
-
+
-
+
-
-
3
手臂下降
-
-
+
-
+
-
-
4
手抓夹紧
-
-
+
+
-
-
-
5
手臂提升
+
-
+
+
-
-
-
6
手臂缩回
+
-
-
+
-
-
-
7
手臂左转
+
+
-
+
-
-
-
8
电机正转1个工位
+
+
-
+
-
+
-
9
手臂伸出
+
+
+
+
-
-
-
10
手臂下降
-
+
+
+
-
-
-
12
手抓松开
-
+
+
-
+
-
-
13
手臂缩回
-
+
-
-
+
-
-
14
电机反转回到供料站复位
-
+
-
-
+
+
+
15
手臂右转
-
-
-
-
+
-
-
表3装配站到分拣站工作原理
3.1.2PLCI/O口分配
根据输入输出的特点及数量，本系统采用西门子S7-200系列PLC作为控制器。
表4为生产线搬运机械手控制系统的I/O口分配表。
输入
输出
元件
名称
地址
元件
名称
地址
SB01
停止按钮
I1.2
PULSE
伺服脉冲
Q0.0
SB02
复位按钮
I1.3
SIGN
伺服方向
Q0.1
SB03
启动按钮
I1.4
50YV
提升电磁阀
Q0.2
QS01
急停
I1.5
51YV
旋转电磁阀
Q0.3
ST01
原点行程开关
I0.0
52YV
手爪伸出电磁阀
Q0.4
1RS1
提升台下限位
I0.1
53YV1
手爪夹紧电磁阀
Q0.5
1RS2
提升台上限位
I0.2
53YV2
手爪放松电磁阀
Q0.6
2RS1
左旋到位
I0.3
HL51
红灯
Q0.7
2RS2
右旋到位
I0.4
HL52
黄灯
Q1.0
3RS1
手爪伸出到位
I0.5
HL53
绿灯
Q1.1
3RS2
手爪缩回到位
I0.6
4RS1
手爪夹紧状态
I0.7
表4I/O分配表
3.2生产线搬运机械手程序设计
气动机械手动作流畅简单，且规律性强，在进行程序设计的时候可以采用置位复位指令实现顺序控制，这里略去。
在本搬运机械手程序设计中，较为复杂的是伺服电机的控制。
在伺服电机控制电路中，伺服电机驱动的脉冲信号PULSE、方向型号SIGN分别由PLC的Q0.0和Q0.1提供，通过程序设置脉冲数目和伺服电机的转动方向，从而实现对生产线搬运机械手前进、后退工位之间距离的精确控制。
根据伺服电机的工作特点，程序设计是采用S7-200PLC的高速脉冲输出指令PLS实现伺服电机的定位控制。
高速脉冲输出指令有高速脉冲输出PTO和宽度可调脉冲输出PWM两种方式，采用PTO方式，用户可以控制脉冲周期和个数，根据系统要求，选用PTO高速脉冲输出方式。
由于伺服电机再启动时如果突加高频脉冲，电机会产生啸叫、失步，甚至不能启动，停止时也不能将脉冲从高频突降至零，因此伺服电机在经历启动→运行→停止时必须经过加速→高速运行→减速3个阶段。
因此，在使用PTO指令时应在包络里设置加速时间与减速时间。
3.2.1PTO指令的作用与创建
Ⅰ.概述
S7-200有两个置PTO/PWM发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。
当组态一个输出为PTO操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电
机的速度和位置的开环控制。
置PTO功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。
但应用程序必须通过PLC内置I/O提供方向和限位控制。
为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7--Micro/WIN提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM，PTO或位控模块的组态。
向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。
Ⅱ.使用位控向导编程
STEP7V4.0软件的位控向导能自动处理PTO脉冲的单段管线和多段管线、脉宽调制、SM位置配置和创建包络表。
本节将给出一个在YL-335A上实现的简单工作任务例子，阐述使用位控向导编程的方法和步骤。
表1是YL-335A上实现步进电机运行所需的运动包络。
运动包络
站点
脉冲量
移动方向
1
供料站→加工站
105000
2
加工站→装配站
75000
3
装配站→分拣站
60000
4
分拣站→高速回零前
100000
DIR
5
低速回零
单速返回
DIR
表5 步进电机运行的运动包络
Ⅲ.使用位控向导编程的步骤如下：
以下为S7--200 PLC选择选项组态 置PTO/PWM操作。
1）在STEP7 V4.0软件命令菜单中选择 工具→位置控制向导并选择配置S7-200PLC内置PTO/PWM操作，如图5所示。
图5位控向导启动界面
2）单击“下一步”选择“QO.0”，再单击“下一步”选择“线性脉冲输出PTO）”。
图5 选择PTO或PWM界面
3）单击“下一步”后，在对应的编辑框中输入MAX_SPEED和SS_SPEED速度值。
输入最高电机速度“90000”，把电机启动/停止速度设定为“600”。
这时，如果单击MIN_SPEED值对应的灰色框，可以发现，MIN_SPEED值改为600，注意：
MIN_SPEED值由计算得出。
用户不能在此域中输入其他数值。
图6
4）单击“下一步”填写电机加速时间“1500”和电机减速时间 “200”
图7设定加速和减速时间
5）接下来一步是配置运动包络界面，见图8。
图8配置运动包络界面
6）该界面要求设定操作模式、1个步的目标速度、结束位置等步的指标，以及定义这一包络的符号名。
（从第0个包络第0步开始）在操作模式选项中选择相对位置控制，填写包络“0”中数据目标速度“60000”，结束位置“85600”，点击“绘制包络”，如图9所示，注意，这个包络只有1步。
包络的符号名按默认定义。
这样，第0个包络的设置，即从供料站→加工站的运动包络设置就完成了。
现在可以设置下一个包络。
图9设置第0个包络
7）点击“新包络”，按上述方法将下表中上5个位置数据输入包络中去。
运动包络
站点
脉冲量
目标速度
移动方向
1
供料站→加工站
105000
40000
2
加工站→装配站
75000
40000
3
装配站→分拣站
60000
40000
4
分拣站→高速回零前
100000
40000
DIR
5
低速回零
单速返回
20000
DIR
表中最后一行低速回零，是单速连续运行模式，选择这种操作模式后，在所出现的界面中（见图10），写入目标速度“20000”。
界面中还有一个包络停止操作选项，是当停止信号输入时再向运动方向按设定的脉冲数走完停止，在本系统不使用。
图10设置单速连续旋转包络
8）运动包络编写完成单击“确认”，向导会要求为运动包络指定V存储区地址（建议地址为VB75～VB300），默认这一建议，单击“下一步”出现图11，单击“完成”。
图11生成项目组件提示
9）项目组件
运动包络组态完成后，向导会为所选的配置生成三个项目组件（子程序），分别是：
PTOx_RUN子程序（运行包络），PTOx_CTRL子程序（控制）和PTOx_MAN子程序（手动模式）子程序。
一个由向导产生的子程序就可以在程序中调用如图12所示。
图12三个项目组件
3.2.2PTO指令的使用
PTOx_RUN子程序（运行包络）：
命令PLC执行存储于配置／包络表的特定包络中的运动操作。
运行这一子程序的梯形图如图13所示。
图13运行PTOx_RUN子程序
EN位：
启用此子程序的使能位。
在“完成”位发出子程序执行已经完成的信号前，请确定EN位保持开启。
START参数：
包络的执行的启动信号。
对于在START参数已开启且PTO当前不活动时的每次扫描，此子程序会激活PTO。
为了确保仅发送一个命令，请使用上升缘以脉冲方式开启START参数。
Profile（包络）参数：
包含为此运动包络指定的编号或符号名。
Abort（终止）参数命令，开启时位控模块停止当前包络并减速至电机停止。
Done（完成）参数：
当模块完成本子程序时，此参数ON。
Error（错误）参数：
包含本子程序的结果。
C_Profile参数：
包含位控模块当前执行的包络。
C_Step参数：
包含目前正在执行的包络步骤。
PTOx_CTRL子程序：
（控制）启用和初始化与步进电机或伺服电机合用的PTO输出。
请在用户程序中只使用一次，并且请确定在每次扫描时得到执行。
即始终使用SM0.0作为EN的输入，如图14所示。
图14运行PTOx_CTRL子程序
I_STOP（立即停止）输入：
开关量输入。
当此输入为低时，PTO功能会正常工作。
当此输入变为高时，PTO立即终止脉冲的发出。
D_STOP（减速停止）输入：
开关量输入。
当此输入为低时，PTO功能会正常工作。
当此输入变为高时，PTO会产生将电机减速至停止的脉冲串。
“完成”输出：
开关量输出。
当“完成”位被设置为高时，它表明上一个指令也已执行。
Error（错误）参数：
包含本子程序的结果。
当“完成”位为高时，错误字节会报告无错误或有错误代码的正常完成。
如果PTO向导的HSC计数器功能已启用，C_Pos参数包含用脉冲数目表示的模块；否则此数值始终为零。
PTOx_MAN子程序（手动模式）：
将PTO输出置于手动模式。
这允许电机启动、停止和按不同的速度运行。
当PTOx_MAN子程序已启用时，任何其他PTO子程序都无法执行。
运行这一子程序的梯形图如图15所示。
图158运行PTOx_MAN子程序
RUN（运行/停止）参数：
命令PTO加速至指定速度（Speed（速度）参数）。
您可以在电机运行中更改Speed参数的数值。
停用RUN参数命令PTO减速至电机停止。
当RUN已启用时，Speed参数确定着速度。
速度是一个用每秒脉冲数计算的DINT（双整数）值。
您可以在电机运行中更改此参数。
Error（错误）参数包含本子程序的结果。
如果PTO向导的HSC计数器功能已启用，C_Pos参数包含用脉冲数目表示的模块；否则此数值始终为零。
3.3完成的部分程序
第四章结束语
搬运机械手采用PLC控制，体积小，重量轻，控制方式灵活，可靠性高，操作简单，维修容易。
使用该机械手代替人工搬运工件，既安全，又准确，提高了劳动生产率，保证了工件的质量，降低了工人的劳动强度，具有较好的经济效益和社会效益。
可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块、高可靠性,可以在机械手的控制系统的设计中起到了十分重要的作用。
随着机械手应用的普及，机械手向着专用化，机械结构向模块化、可重构化的方向发展，机械手的动作更加灵活多样，其控制方式也在向着多元化的方向发展，在PLC控制的过程中,还有许多的问题需要解决，PLC在机械手开发中的开发应用还有很大的空间。
这次毕业论文,对我来说非常有意义,在写论文的过程中我学到很多的关于机械手和PLC方面的知识，我以后会加强对它们的学习和应用。
我觉得PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
致谢
经过几个个多月的研究分析，我们的毕业设计《基于PLC的生产线搬运机械手控制系统设计》一文终于完成。
作为一名机电专业的毕业生，由于本专业的特殊性，在设计过程中，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，以及身边朋友们的帮助，想要靠一己之力完成此次设计是相当困难的。
首先，向指导老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
从最初的选题到中后期修改，再到最后定稿，指导老师一直给我们提供了许多宝贵建议。
严肃的工作态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
除了敬佩老师的专业水平外，其朴实无华、平易近人的人格魅力更对我们影响深远，不仅使我们树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。
其次，要感谢湖州职业技术学院所有教过我们的老师，你们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度，乃至做人的道理。
最后，我要感谢这一路上给过我们帮助的那些认识乃至不认识的朋友们，因为有你们的鼓励与支持，我们的毕业设计才得以顺利完成。
感谢你们，在我最需要帮助与鼓励的时候，给予我们的一切。
我们不会忘记，我们一起奋斗过的日日夜夜，此时此刻，就让这一切在记忆中封存。
此致
敬礼
参考文献
[1]吴中俊.可编程序控制器原理及应用.机械工业出版社,2005.
[2]漆汉宏.PLC电气控制技术.机械工业出版社,2006.
[3]任伯森.机械式立体停车库.海洋出版社，2001
[4
升级会员 