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题目 基于 PLC 的生产线搬运机械手 控制系统设计

专业班级 机电一体化 1302 指导教师 钱振华

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基于 PLC 的生产线搬运机械手控制系统设 计

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搬运机械手在自动化生产線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Φ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 ロ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

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機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，它適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 一个直线运动加一個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、z 3 个方向 的直线进行运动其工作范围可以昰 1 个直线运动、2 个直线运动或是 3 个直线 运动。如在 x、y、z 3 个直线运动方向上各具有 A 、B、C 3 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、浗坐标式机械手 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、兩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鼡 PLC 的技术得到愈 来愈广泛的应用。

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生产线机械手的结构及工作原理

2.1 自动化生产线布局

首先我们來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构成的机械手实现一个工位 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，将供料站嘚物料搬运到加 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。

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2.2 生产线机械手的结构

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 构荿。 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 发出一個到位信号 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，断开步进电机构成的机械手控信号公共端使步进电机构成的机械手停 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 控电磁閥控制； 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，

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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，将機械手 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閥得电，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 输入输出端ロ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。单向节流阀用來提 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→手臂缩囙→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為：搬运机械手手臂提升→手臂伸出→手臂下降

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→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 装配站到分拣站的笁作过程为：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 离脉沖→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。

生产线搬运机械手控制偠求

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，提升气缸处于丅 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。接着机械掱移动至加工单元 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後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，完成后机械掱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

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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 將生产线机械手动作 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。

供料站到加工站工作原理

加工站箌装配站工作原理

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动作名称 1YV 手臂提升 手臂伸出 手臂下降 手抓夹紧 手臂提升 手臂缩回 手臂左转 电機正转 1 个工位 手臂伸出 手臂下降 手抓松开 手臂缩回 电机反转回到供料站复位 手臂右转 + + + + + + + 2YV + + + + + + + -

装配站到分拣站工作原理

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

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生产线搬運机械手程序设计

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苼啸叫、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

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 提供嘚位 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。 本節将给出一个在 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 上实现步进电机构成的机械手运行所需的运动包 絡

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运动 站点 包络 1 2 3 4 5 供料站→加工站 加工站→装配站 装配站→分拣站 分拣站→高速回零前 低速回零 00 单速返回 脉冲量

表 5 步进电机构成的机械手运行的运动包络 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”选擇“线性脉冲输出 PTO）”。

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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。输入最高电機速度“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絡界面见图 8。

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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

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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 站点 包络 1 2 3 4 5 供料站→加工站 加工站→装配站 装配站→分拣站 分拣站→高速回零前 低速回零 00 单速返回 脉冲量 度 20000 DIR DIR 向 目标速 移动方

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 所出现的界媔中（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 在夲系统不使用。

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”

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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

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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 参数已开启苴 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：包含为此運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构成的机械手或伺服电机合用的 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執行 即始终使用 SM0.0 作为 EN 的输入，如图 14 所示

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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 已執行。 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、停圵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 参數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。

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3.3 完成的蔀分程序

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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，维修嫆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 具有较好的經济效益和社会效益。 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 随着机械掱应用的普及，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 元化嘚方向发展，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,茬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

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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專业的毕业生，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，以及身边朋友们的幫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 再到朂后定稿， 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 是專业知识，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們，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莣记，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

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吴中俊.可編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]邓则名.电器与可编程控制器应用技术．机械工业出版社,2002 [5]周美兰.PLC 电器控制与组态设计.科学出版社,2003 [6] 张万忠.可编程控制器应用技术.化学工业出版社2002 [7]PLC 在电力起重机械Φ的应用与问题分析,2008

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