【正文】 基于PLC的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文作者：日期：基于PLC的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要 隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用也逐漸普及，主要在汽車，電子，機(jī)械加工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運(yùn)，可以更好的節(jié)約能源和提高運(yùn)輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率，以降低其他搬運(yùn)方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。 本機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是曲軸在兩條生產(chǎn)線之間搬運(yùn)任務(wù)的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用了電氣一體化的設(shè)計(jì)方案，使用帶自鎖功能的氣缸實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手對工件的抓放和保證了在斷氣狀態(tài)下機(jī)械手狀態(tài)的保持，通過伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在水平、豎直方向快速精確的移動。采用SIEMENS公司的SIMATIC S7200系列PLC作為核心控制器，外擴(kuò)定位模塊EM253模塊對伺服電機(jī)進(jìn)行精確的定位控制，從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了PLC在搬運(yùn)機(jī)械手中硬件連接，I/O點(diǎn)分配和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的上電初始化、零點(diǎn)復(fù)位、故障報(bào)警、手動運(yùn)行、半自動運(yùn)行和在無人看守時(shí)的自動運(yùn)行。最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完成搬運(yùn)目的。關(guān)鍵詞 搬運(yùn)機(jī)械手 定位模塊EM2253 控制系統(tǒng) 可編程PLC SIMATIC S7200系列PLC核心控制器。目 錄目 錄 21引言 1 搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用簡況 1 機(jī)械手的應(yīng)用意義 22 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程 2 系統(tǒng)主要部件選擇 4 氣缸的選擇 5 閥門的選擇 6 行程開關(guān)的選擇 6 接近開關(guān)的選擇 6 驅(qū)動電機(jī)的選擇 63控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 7 控制系統(tǒng)功能 7 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 8 位控模塊 8 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 9 操作面板的設(shè)計(jì) 9 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 PLC的I/O分配表 11 PLC的I/O接線圖 11 運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 12 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 174 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 19 系統(tǒng)工作方式 19 程序設(shè)計(jì) 19 主程序設(shè)計(jì) 19 初始化子程序設(shè)計(jì) 20 復(fù)位子程序設(shè)計(jì) 20 報(bào)警子程序設(shè)計(jì) 21 手動運(yùn)行子程序設(shè)計(jì) 21 半自動運(yùn)行子程序 22 自動子程序設(shè)計(jì) 235 結(jié)束語 25致 謝 26參考文獻(xiàn) 27附錄1 系統(tǒng)配件清單 28附錄2 程序清單 281引言 搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用簡況 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。 國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中搬運(yùn)機(jī)械手主要應(yīng)用于以下幾方面： （1）熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。 （2）冷加工方面的應(yīng)用 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 （3）拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。 近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。 機(jī)械手的應(yīng)用意義 由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元fmc中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。2系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程 本課題的研究主要是將摩托車發(fā)電機(jī)的曲軸從一個(gè)自動生產(chǎn)線搬運(yùn)到另一個(gè)自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。兩生產(chǎn)線的布置和具體位置參數(shù)如圖21所示：圖21 機(jī)械系統(tǒng)整體布局示意圖 機(jī)械手主要由手部、腕部、升降部、滑動部、機(jī)座和控制箱，以及其它附件組成。其中手部為四指結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動由具有自鎖功能的夾緊氣缸完成；升降部以導(dǎo)軌為導(dǎo)向裝置，其運(yùn)動由伺服電機(jī)驅(qū)動絲杠來完成；滑動部也是以導(dǎo)軌為導(dǎo)向裝置，其運(yùn)動由伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪在齒條上滾動來完成。PLC和相關(guān)控制器件安裝于控制箱內(nèi)，通過電纜和信號線與機(jī)械手進(jìn)行聯(lián)接。機(jī)械手的定位采用脈沖數(shù)來控制，升降運(yùn)動和滑動都有快慢速調(diào)整，調(diào)整位置也由脈沖數(shù)來控制，而速度由脈沖頻率調(diào)整。在料架1和料架2上分別安裝接近開關(guān)，進(jìn)行生產(chǎn)線上有無工件的檢測，滿足在料架1有工件時(shí)機(jī)械手才進(jìn)行下降和抓取，料架2上無工件時(shí)機(jī)械手才下降放下工件。機(jī)械手還滿足在斷氣和掉電時(shí)能夠自鎖，保持當(dāng)前的狀態(tài)。系統(tǒng)上電后機(jī)械手開始初始化，初始化完畢后選擇工作方式，分別為手動模式，半自動模式，自動模式。手動模式工作下，操作員可以通過控制面板控制機(jī)械手的單步運(yùn)動和零點(diǎn)復(fù)位，能夠在機(jī)械手故障時(shí)進(jìn)行檢修。 半自動工作方式下，只要操作員選擇半自動工作方式，然后按下啟動按鈕，機(jī)械手首先會零點(diǎn)復(fù)位，然后檢查料架1有工件，機(jī)械手下降抓取工件，上升前進(jìn)，檢測料架2上無工件機(jī)械手下降放下工件，返回原點(diǎn)，一個(gè)周期的動作完成，機(jī)械手停機(jī)。 自動方式開始工作下，按下啟動按鈕，兩臺伺服電機(jī)通電，滑臺、升降臺、氣缸等回到原位，氣壓表顯示正常。機(jī)械手運(yùn)動到上、左原點(diǎn)位。當(dāng)檢測到料架1上有工件時(shí)，電機(jī)1反轉(zhuǎn)，升降臺快速下降，達(dá)到一定脈沖數(shù)后減速，到達(dá)下工位2時(shí)，電機(jī)1停轉(zhuǎn)；氣缸伸出夾緊工件，當(dāng)氣缸壓力到達(dá)一定程度時(shí)壓力傳感器得電表明工件夾緊；電機(jī)1正轉(zhuǎn)，升降臺先快速上升，達(dá)到一定脈沖數(shù)后時(shí)減速，當(dāng)?shù)竭_(dá)上原點(diǎn)時(shí)，電機(jī)1停轉(zhuǎn)，升降臺停止；電機(jī)2反轉(zhuǎn)，滑臺快速前進(jìn)，達(dá)到一定脈沖數(shù)后滑臺減速，到達(dá)右工位時(shí)電機(jī)2停止；當(dāng)檢測到生產(chǎn)線2無工件時(shí)，電機(jī)1反轉(zhuǎn)，升降臺快速下降，達(dá)到一定脈沖數(shù)后減速，到達(dá)下工位1時(shí)電機(jī)1停轉(zhuǎn)；氣缸縮回放開工件，壓力傳感器失電表明工件已松開；電機(jī)1正轉(zhuǎn)，升降臺上升，先快速后慢速，當(dāng)?shù)竭_(dá)上原點(diǎn)時(shí)電機(jī)1停轉(zhuǎn)，升降臺停止；電機(jī)2正轉(zhuǎn)，滑臺返回到初始位置，電機(jī)2停止。一個(gè)工作流程結(jié)束。機(jī)械手的工藝流程如圖22所示。 系統(tǒng)主要部件選擇 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時(shí)還要考慮成本因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。驅(qū)動元件是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它的作用是把驅(qū)動控制線路的電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動。整個(gè)伺服系統(tǒng)的調(diào)速性能、動態(tài)特性、運(yùn)動精度等均與驅(qū)動元件有密切關(guān)系。常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、電氣壓驅(qū)動和電－液驅(qū)動三種基本類型。 結(jié)合各種驅(qū)動類型的特點(diǎn)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動類型的選擇。本機(jī)械手采用電氣結(jié)合的驅(qū)動方式。其中，機(jī)械手的升降和平移都采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動，手部的開合采用氣缸驅(qū)動。圖22 機(jī)械手工藝流程圖 氣缸的選擇 夾緊裝置是使手爪開、閉動作