【正文】 也感謝在一起愉快的度過大學(xué)生涯的的同學(xué)，感謝你們在學(xué)習(xí)和生活上給予我的幫助。 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 27 致 謝 本論文是在鄭安平教授的悉心指導(dǎo)下完成的，畢業(yè)設(shè)計每取得的一點(diǎn)進(jìn)步和成果無不傾注導(dǎo)師大量的心血。在提高整個生產(chǎn)線的自動化水平以及柔性制造方面起到了不可替代的作用。 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 24 機(jī)械手復(fù)位檢測料架 1有工件檢測料架 1有工件機(jī)械手下降伺服 1定位完成抓取工件機(jī)械手上升到升降原點(diǎn)到升降原點(diǎn)機(jī)械手前進(jìn)伺服 2定位完成機(jī)械手下降伺服 1定位完成松開工件機(jī)械手啟動機(jī)械手回原點(diǎn)否否否否否是是是是是半自動子程序入口系統(tǒng)停機(jī) 圖 47 半自動 運(yùn)行 子程序框圖 自動子程序設(shè)計 自動子程序（見附錄）用于控制與生產(chǎn)線連接通信時，接收生產(chǎn)線上信號的連續(xù)循環(huán)動作，自動子程序是機(jī)械手控制系統(tǒng)最為重要的子程序，在正常生產(chǎn)中主要使用自動工作方式。系統(tǒng)手動子程序框圖如圖 45 所示 。當(dāng)故障解除后，按下報警解除按鈕則報警消除。 延時 30 秒系統(tǒng)各狀態(tài)位置位定位模塊賦初值初始化子程序入口返回 圖 42 初始化子程序框圖 復(fù)位子程序設(shè)計 復(fù)位子程序 用來完成機(jī)械手回復(fù)原點(diǎn)動作的程序，當(dāng)機(jī)械手處于手動狀態(tài)，不論機(jī)械手處于何種工位，按下復(fù)位按鈕開始調(diào)用復(fù)位子程序，機(jī)械手完成的復(fù)位動作，回到機(jī)械手原點(diǎn)。初始化完成后，如果是初次上電或處于自動狀態(tài)則機(jī)械手復(fù)位。采用 STEP 7 MicroWIN 編程軟件進(jìn)行程序梯形圖的編制。處于“半自動”位時，不接受自動生產(chǎn)線上的控制信號，只接收兩生產(chǎn)線上有無工件的檢測信號。處于“手動”位時，系統(tǒng)處于離線狀態(tài)，不接受自動生產(chǎn)線上的信號，只接收控制面板上的指令信號。 復(fù)位操作主要用于在工作開始前或故障排除后，要將機(jī)械手的各個部位移動至原位，同時也是各部件運(yùn)動的基準(zhǔn)。伺服驅(qū)動器的輸入口－伺服使能（ SRVON）、報警清除（ ACLR）和輸出口－伺服報警（ ALM）、定位完成（ COIN）與 PLC 相應(yīng)接口連接。而 I/O 接口（ X5）則需要自定義。本系統(tǒng)中，為了防止電源共地干擾，現(xiàn)場信號都通過繼電器隔離輸出，而操作面板上信號則直接接入 PLC 的 I/O 口。 PLC 的 I/O 接線圖 PLC 的 I/O 接線圖如圖 33 所示 。 PLC 的 I/O 分配表 本控制系統(tǒng)的 PLC 的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定 。 （ 6）上升、下降、前進(jìn)、后退、夾緊、松開按鈕主要是在調(diào)試或排除故障以及基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 12 其它需要進(jìn)行單步操作時，對機(jī)械手進(jìn)行手動操作。 （ 4）啟動按鈕 當(dāng)系統(tǒng)上電且機(jī)械手處于自動模式下，按下啟動按鈕，機(jī)械手開始按照指令進(jìn)行搬運(yùn)操作。 （ 2）電源開關(guān) 在機(jī)械手工作前，首先要打開電源 開關(guān)，給 PLC、驅(qū)動器、伺服電機(jī)及照明設(shè)施供電，觸摸終端由 PLC 進(jìn)行供電，為系統(tǒng)啟動做準(zhǔn)備。 操作面板的設(shè)計 根據(jù)工件生產(chǎn)和搬運(yùn)的特點(diǎn)和控制要求，機(jī)械手的控制按鈕和指示燈分布如圖32 所示。各部件的運(yùn)動極限由脈沖進(jìn)行限位，并配有極限行程開關(guān)作為極限保護(hù)裝置。位控模塊能夠產(chǎn)生移動控制所需的脈沖串，其組態(tài)存儲在 S7200 的 V 存儲區(qū)中?？紤]到控制功能簡單、控制邏輯復(fù)雜，經(jīng)過各方面分析比較，本課題采用西門子 S7200 PLC 作為控制器，并配有相應(yīng)的控制模塊，來實(shí)現(xiàn)整個機(jī)械手的控制功能。以控制器的核心計算機(jī)的分布方式來看，機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)大體可分為集中控制、主從控制、分級控制等三類。該功能主要是操作員可以對機(jī)械手進(jìn)行單步的操作控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的檢測和故障修復(fù)功能。該功能主要是指機(jī)械手的運(yùn)動控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置、速度和加速度控制等。 （ 2）任務(wù)簡單 ， 本機(jī)械手的工作任務(wù)是抓緊工件，并按要求進(jìn)行平面點(diǎn)位運(yùn)動，無 需進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)算、坐標(biāo)變換以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算等。作為指導(dǎo)機(jī)械手按要求合理動作的指揮機(jī)構(gòu)，它的設(shè)計是機(jī)械手設(shè)計中的核心和基礎(chǔ)，決定了機(jī)械手的控制性能的好壞。 電機(jī)型號： Panasonic MDMA152P1U（ 其 中慣量， ， 200V，增量式編碼器，標(biāo)準(zhǔn)型，鍵軸，有制動器）。 驅(qū)動電機(jī)的選擇 直流伺服電機(jī)由于存在機(jī)械換向器和電刷，降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，加重了維護(hù)和保養(yǎng)負(fù)擔(dān)。 圖 23 FESTO 公司的氣缸 閥門的選擇 閥門是為氣缸提供的，氣缸配備兩個一位單通閥門，為 了保證在斷氣的狀態(tài)下不影響氣缸內(nèi)部的氣壓，所以選用氣開閥，根據(jù)經(jīng)驗選用 SMC 公司的 VZ110 氣開閥。并配有夾緊裝置和行程開關(guān)。本機(jī)械手采用電氣結(jié)合的驅(qū)動方式。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。當(dāng)檢測到料架 1 上有工件時，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，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)后時減速，當(dāng)?shù)竭_(dá)上原點(diǎn)時，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)右工位時電機(jī) 2 停止；當(dāng)檢測到生產(chǎn)線 2 無工件時，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。 手動模 工作 式下 ， 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)械手故障時進(jìn)行檢修。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。 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 4 2 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程 本課題的研究主要是將空調(diào)壓縮機(jī)的曲軸從一個自動生產(chǎn)線搬運(yùn)到另一個自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。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。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)備的一個組成部分。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。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、基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 2 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。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。一般專用機(jī)械手有 2～ 3 個自由度。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)、平移等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 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 個方面 進(jìn)行設(shè)計，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，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的上電初始化、零點(diǎn)復(fù)位、 故障報警、手動運(yùn)行、半自動運(yùn)行和 在無人看守時的自動運(yùn)行 。 主要參考資料： ? 蔡自興 .機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略 [J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ,2020,76(4):1116. ? 張波 .多功能上下 料用機(jī)械手液壓系統(tǒng) [J].液壓與氣動 ,2020,8(2):3132. ? 李允文 .工業(yè)機(jī)械手設(shè)計 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1996. ? 史國生 .PLC在機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用 [J].中國工控信息網(wǎng) , ? 朱春波 .PLC控制的氣動上下料機(jī)械手 [J].液壓氣動與密封 ,1999,2124. ? 王永華 .現(xiàn)代電氣控制及 PLC應(yīng)用技術(shù) [M].北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 ,2020. ? 劉軒 ,王麗偉 .機(jī)械手的 PLC控制 [J].機(jī)床電器 ,2020,3449. 完 成 期 限： ～ 指導(dǎo)教師簽名： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名： 2020 年 1 月 13 日 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 I 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 搬運(yùn)機(jī)械手是企業(yè)自動 化 生產(chǎn)線中重要設(shè)備之一，其性能的 優(yōu)劣 直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。電路圖要求工整、清楚、正確，并標(biāo)明管腳。 ? 硬件要求：整個系統(tǒng)的硬件部分包括控制器 PLC，定位模塊，伺服驅(qū)動器，伺服電機(jī)，操作面板等。 ? 上述內(nèi) 容為基本要求，可按照自己的理解增加功能使之更完善。 ? 軟件編程必須有流程圖，程序必須加注釋，各程序段的開始要注明該段功能和作用。因此， 設(shè)計性能優(yōu)良的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)對于提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量具有十分重要的意義。 最終達(dá)到 設(shè)計要求， 完成搬運(yùn)目的。 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個自由度。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為機(jī)械式、氣動式、電動式、液壓式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 本課題 介紹了一種 精確控制機(jī)械手的方法 ，以 西門子 公司的 S7200 系列 PLC 作為 機(jī)械手 的主控制器， 外接控制面板以實(shí)現(xiàn)對 3 自由度機(jī)械手控制的 功能，實(shí)現(xiàn)一個精確 的自動控制系統(tǒng)。 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。 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、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自 動化。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。 近些年，隨著計算機(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。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。兩生產(chǎn)線的布置和具體位置參數(shù)如圖 21 所示： 200 mm 2020 mm 水平滑臺 曲軸 曲軸垂直軌道行程開關(guān) BG 1行程開關(guān) BG 2行程開關(guān) BG 3行程開關(guān)BG4伺服電機(jī) 1伺服電機(jī) 2接近開關(guān) BG 10接近開關(guān) BG 11氣缸氣體流量閥氣體壓力傳感器料架 1料架 2行程開關(guān)BG5行程開關(guān)BG6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。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 有工件基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 5 時機(jī)械手才進(jìn)行下降和抓取，料架 2 上無工件時機(jī)械手才下降放下工件。 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)，一個周期的動作完成，機(jī)械手停機(jī)。一個工作流程結(jié)束。整個伺服系統(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。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。如圖 23 所示為氣缸。 行程開關(guān)的選擇 行程開關(guān)選用施耐德公司 XCRA15 型號的行程開關(guān) 接近開關(guān)的選擇 為了提高系統(tǒng)的可靠性和動作執(zhí)行的準(zhǔn)確性，選擇 OMRON 公司的 E2EX5ME2型接近開關(guān)。而交流異步電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉 、無電刷磨損、維修方便，但調(diào)速問題一直沒有得到經(jīng)濟(jì)合理的解決。 驅(qū)動器型號： MDDDT5540。 控制系統(tǒng) 功能 控制是機(jī)器人技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題，而控制系統(tǒng)的性能則是機(jī)器人發(fā)展水平一基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 9 個重要標(biāo)志。 （ 3）變量少，數(shù)學(xué)模型簡單。 （ 2）氣動控制功能