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基于机电一体化实训系统立体仓库——PLC控制系统设计

发布时间:2018-07-03 08:44
前 言
 
随着现代科技的发展和技术的不断进步,越来越多的新技术应用到生产中去,极大地推动着社会生产水平的提高,生产规模的进一步扩大,自动化立体仓库越来越多地在很多企业建立起来。自动化立体化仓库也发生了很大的变化,从上世纪50年代末开始的自动导引小车(AVG )、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣系统,到上世纪70年代,旋转体式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备的单独驱动控制发展到现在的电动,气动,液动集成驱动控制,不仅实现了更精确的控制,而且还极大地提高了整个自动化仓库的工作效率。
典型的自动化生产线上的立体仓库的设计包括:立体仓库存储单元结构与外型设计、机械手与运动设计、动力驱动设计、接口与电气线路设计和PLC控制系统设计等部分。其中,存储单元的结构与外型设计,是设计在有限的空间内设计出结构合理、安全、存储更多货物的存储单元;机械手与运动设计,是设计出结构简单,工作可靠,定位准确,工作效率高的机械手;系统的动力驱动设计,是设计机械手在整个运动过程中的动力设计;接口与电气线路设计,是设计整个系统中的电气接口、各种传感器与PLC的接口,整个系统的布线设计;PLC控制系统的设计,是设计PLC通过对传感器采集到的信号的运算,根据运算结果控制各个运动执行部件。
本文内容安排始终贯穿PLC在立体仓库中的应用,将内容分为硬件系统配置和软件系统设计两大部分。其中机械手的运动是整个系统控制的主要部分,通过步进电机和变频器的脉冲输出来实现机械手的定位,根据设定的计数器程序进行计数,自动完成存放物品的任务,并进行机械手抓手伸进、下降、松开、推出等一系列动作。配置一套SIEMENS  PLC系统。
 
 
 
第一章  绪论
 
自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下,自动地完成物品仓储和取出的系统,它以高层立体货架为主体,以成套搬运设备为基础,是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。PLC作为一种工业控制计算机,具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能,是目前广泛应用的控制装置之一。自动化立体仓库的出现,实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。机械手是自动化立体仓库的重要组成部分,主要运用于存取设备。
1.1 自动化立体仓库的发展
    自动化立体仓库简称自动化仓库,即所谓的高层货架仓库。自动化立体仓库是在生产力和科学水平不断提高的情况下出现的崭新的物流技术。自动化立体仓库一般是指用货架—托盘系统储存单元化的货物,采用电子计算机控制机与人工控制相结合的巷道式起重设备取送货物的一种新型仓库。生产力的高度发展是自动化立体仓库产生和发展的根本原因。土地紧张,土地价格上涨的速度快,物流业主提出了“向空间要货位”。“向空间要仓库”的理念,因而推动了仓库向高空发展。随着技术的飞速发展,巷道堆垛起重机的出现(该设计是实训台立体存储单元设计故以机械手代替堆垛机),首先解决了向高层货架送取货物的难题,使平面仓库变立体库,而将电子计算机应用到仓储作业中,则为立体仓库的自动化开辟了广阔的前景。目前,自动化立体仓库己经成为现代物流系统中迅速发展的一个最重要组成部分,可以谓之为整个物流系统的一个核心集成技术所在,具有节约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点,是提高现代物流效率,降低物流成本的一个重要工具。
美国于1959年开发了世界上最早的自动化立体仓库,并在1963年最早使用计算机进行自动化立体仓库的控制管理。后来德国和日本也相继开发了自动化立体仓库。进入20世纪80年代,自动化立体仓库在世界各国发展迅速,使用范围涉及几乎所有行业。1974年在郑州纺织机械厂建成我国第一座自动化立体仓库但我国在这一领域发展速度比较缓慢。20世纪70年代以来,发达国家大力推广商品物流自动化、高速化、信息化,发展城市商品集中配送中心,纷纷建立大型自动化立体仓库。控制技术也由最初的手动控制发展成为自动控制和计算机管理;巷道堆垛作业双循环次数,由之初的15—20次/h提高到50—70次/h,仓库的利用效率高达96%—98%;仓库的规模由最初的几百个、几千个货位发展到几万个、十几万个货位;技术上采用条形码识别系统、巷道堆垛操作台上的显示屏取代了传统的提货单;移动式机械手或机器人自动拣货系统,把订单所列的多种货物拣到大集装箱中;自动导引车的使用,巷道堆垛机垂直和水平方向同时运动,使工作效率提高了20倍以上。大型自动化立体仓库每小时可完成500、800次出入库作业。随着现代工业生产的发展,柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和工厂自动化(FactoryAutomation)对自动化仓库提高更高的要求,搬运仓储技术要具有更可靠、更实时的信息,工厂和仓库中的物流必须伴随着并行的信息流。射频数据通信、条形码技术、扫描技术和数据采集越来越多地应用于仓库堆垛机、自动导引车和传送带等运输设备上,移动式机器人也作为柔性物流工具在柔性生产、仓储和产品发送中日益发挥重要的作用。实现系统的柔性化,采用灵活的传输设备和物流线路是实现物流和仓储自动化的趋势。
    自动化立体仓库是一种新型仓库,也是一种处于发展中的技术。国外自动化立体仓库经过几十年的发展与完善,显示出了它的许多优点。然而,由于国内外的资源状况、经济体制、管理水平都各不相同,自动化立体仓库在国外显示的许多优点,并不一定就能在国内也表现出优势。所以,我国在采用自动化立体仓库这项技术时,一定要从实际出发,考虑我国近期的情况,特别要立足于本单位的实际情况。
衡量一座仓库设计或建筑结构的优劣,一个重要的出发点是看它的综合经济效益如何让,而不能单纯地看形式设备的先进与否。如果在投资、生产效率、储藏量、改善劳动条件和作业费用等方面加以比较,总效果是最好的,就可以采用自动化仓库这种形式,反之,则不宜采用。
目前,我国快递系统的作业水平是不高的,因此,在对系统生产效率的要求不是很高的情况下,人力作业不感到费力而采用机械作业又太复杂时,应优先考虑人力作业;一般机械可以方便地完成作业,而自动化过于复杂时,应有限考虑机械作业。不应试图排除轻微体力劳动和简便的机械作业,以为追求自动化。
自动化仓库的建造对土建施工、机械制造、自动控制技术都有严格要求,在国内尚无能力生产大量可靠的自动化设备时,不可大力推广、提倡建造自动化仓库。
我国的现实状况是建设资金不足,而劳动力相对充足,地价相对低廉。因此,近期不宜大量建造规模大、控制水平高的自动化仓库,尤其是快递企业。
自动化仓库的突出优点是高速高效,这一点与采用电子计算机进行信息管理是紧密联系的,我国目前计算机的普及率也很低,缺乏提供相应控制水平的条件。
我国自动化仓库已经有二十余年的历史,可以相信,随着国民经济的发展,经济体制的日趋完善,生产水平的大大提高,自动化立体仓库将得到更好地应用与发展。
1.2 自动化立体仓库模型研究的意义 
自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下,自动地完成物品的存放和取出的系统,根据这个原理结构,设计了自动化立体仓库模型控制系统。本设计的柔性生产实训系统存储单元主要应用于机电一体化等相关专业教学仪器的演示部分,目的是帮助机电一体化等相关专业的学生了解自动化立体仓库的基本结构、设计原理以及整个控制系统的工作过程、熟悉电气控制的基本原理,了解电气控制在现代科技应用中的重要性,以及PLC应用在现代控制系统中的作用和一些不可替代性的优点。熟悉PLC的外围电路设计、软件设计方法和设计流程等。在设计方案上结合了EAPS100型柔性生产实训系统,并对其技术方案进行了描述,为日后自动化立体仓库的具体实施作一个技术上的参考。使未来自动化立体仓库的设计更趋于完美化。
1.3本文的主要研究内容
本文对自动化立体仓库发展、可编程控制器(PLC)的特点作了详细的介绍,重点是PLC控制系统的设计。
 
 
 
 
 
第二章  系统总体方案设计
 
立体仓库的出现,实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。立体仓库模型中机械手是立体仓库的主要存取设备,它一般由气动手指、旋转气缸、推进气缸组成,其主要功能是按照控制指令的要求顺序往货架上存放物料。
2.1 系统硬件构成
立体仓库模型主体由控制台、底座、3层12仓位库体、机械手及电气控制等5部分组成。直接面向用户操作的控制面板安装在控制台上,上面有接线装置、状态显示灯、手动按钮等。控制系统由西门子S7—200型PLC、电动机驱动模块等组成。上述各位置传感器的通、断状态作为输入信号送入PLC,经内部程序运算,再由输出端口的开、关量去控制步进电机、变频器、推进气缸、旋转气缸、机械手的运动。图2-1为系统硬件结构控制图。
图2-1 系统硬件结构控制图
图2-1 系统硬件结构控制图
2.1.1 PLC控制系统
本设计选用西门子CPU226可编程控制器。CPU226 集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30KHz高速计数器,2路独立的20KHz高速脉冲输出,具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力,I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适用于一些复杂的中小型控制系统。
2.1.2 步进电机及驱动
整套系统中采用的都是二相混合式步进电机和步进驱动器。
步进电机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度(称为步距角)一步一步运行的,其特点是没有积累误差,已广泛应用于各种开环控制,步进电机的运行要有一电子装置进行驱动这种装置就是步进电机的驱动器,是把控制系统发出的脉冲信号转换为步进电机的角位移,控制系统发出一个脉冲信号,通过驱动器使步进电机旋转一步距角,步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比,所以控制步进脉冲信号的频率就可以对电机精确的调速,控制步进脉冲的个数,以对电机精确定位。
2.1.3 传感器和气动元件
传感器有时也被称为换能器、变换器、变送器或探测器,主要特征是能感知和检测某一形态的信息,并将其转换成另一形态的信息。传感器的种类繁多,分类方法多样,可按被测量分类、按传感器的工作原理分类、按能量传递方式分类,按输出信号性质分类。传感器按工作原理分类可分为:电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、热敏式传感器。按工作原理分类的优点是可以避免传感器名目繁多,使传感器的划分类较少,并有利与传感器专业工作者对传感器的工作原理与设计归纳性的分析研究,使设计与应用更具有合理性与灵活性,,缺点是会使对传感器不够了解的用户感到使用不方便。在本系统中传感器主要采用的是进口Autonics传感器,有对射传感器、漫反射传感器、电容传感器、电感传感器等。
气动传动是以压缩空气为工作介质进行能量传递的一种传动形式。气动传动系统由以下四部分组成:
(1)动力元件 它将原动机供给的能量转变位气体的压力能,为各类气动设备提供动力。
(2)执行元件 如气缸和气动马达。它能将气体的压力能转换为机械能,输出力和速度,以驱动工作部件。
(3)控制元件 用以控制压缩空气的压力、流量和流动方向,以保证执行元件具有一定的输出力和速度。这类元件包括压力阀、方向阀、流量阀和逻辑元件等。
(4)辅助元件 除以上三类元件以外,其余元件称为辅助元件。如过滤器、干燥器、消音器、油雾器和管件等。它们对保证系统可靠、稳定地工作起着重要的作用。
在本系统中气缸与电磁阀是SMC 的产品,气缸有标准气缸、双杆气缸、微型气缸、薄型气缸、气动手指等。
2.1.4 变频器
本系统使用的变频器是SINAMICS G110,它是用于控制三相交流电动机速度的变频器。单相电源电压,额定功率120W 到3.0KW 可供用户选用。本变频器具有很高的运行可靠性。因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。SINAMICS G110具有缺省的工厂设置参数,它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
2.2 PLC工作过程
当 PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
    (1)输入采样阶段
    在输入采样阶段, PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
    (2)用户程序执行阶段
    在用户程序执行阶段, PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
    (3)输出刷新阶段
    当扫描用户程序结束后, PLC就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。这时,才是PLC的真正输出。
2.3 工作流程
本存储单元只要由一台步进电机与步进电机驱动器、一台三相异步电机和变频器、一个PLC、一个电源模块构成。本单元的功能是抓取小车上的工件盒,运行至仓库,然后将工件放到仓库中,同时放走小车。
2.4 小结
    本章对PLC控制的各个部分的元件进行了介绍,并介绍了存储单元的工作流程,在后面的章节中将要介绍PLC对各个模块的具体控制过程。
 
 
 
 
 
 
 
 
第三章 PLC控制设计及实现
 
自动化立体仓库模型控制系统设计主要包括两个方面:一个方面是机械方面的设计;另一个就是电气控制方面的设计。这两个方面既相互独立,又有很多的联系,在设计机械结构的时候不仅需要考虑电气部分是否能够实现,而且还要考虑是否存在加工时的问题;在设计电气部分时,也要考虑是否有这样的机械结构能够满足要求。在本文中主要着重介绍PLC控制部分,机械手结构设计部分由柳忠雨同学负责。
3.1 PLC在立体仓库中的应用
3.1.1 PLC的特点
    PLC与普通微机一样,以通用或专用CPU作为字处理器,实现通道(字)的运算和数据存储,另外还有位处理器(布尔处理器),进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
(1)可靠性,对可维修的产品,可靠性包括产品的有效性和可维修性。
①PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件,它的接线大大减少,与此同时,系统的维修简单,维修时间短。
②PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计,例如,冗余设计,断电保护,故障诊断和信息保护及恢复等。
③PLC有较高的易操作性,它具有编程简单,操作方便,维修容易等特点,一般不易发生操作的错误。
④PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置,它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言,编程出错率大大降低,而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
⑤在PLC的硬件方面,采用了一系列提高可靠性的措施。例如,采用可靠性的元件,采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。
⑥PLC的软件方面,也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如,采用软件滤波;软件自诊断;简化编程语言等。
   (2)易操作性,PLC的易操作性表现在下列几个方面:
    ①操作方便,PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示,对大中型的PLC,编程器采用了CRT屏幕显示,因此,程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找,然后进行更改,更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
    ②编程方便,PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说,由于梯形图与电气原理图较为接近,容易掌握和理解。
③维修方便,PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时,通过硬件和软件的自诊断,维修人员可以很快的找到故障的部位,以便维修。
(3)灵活性,PLC的灵活性表现在以下几个方面:
①编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
②扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同,即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
③操作的灵活性。操作十分灵活方便,监视和控制变得十分容易。
3.1.2 PLC控制立体仓库的优点
(1)在立体仓库中采用了PLC,用软件实现对立体仓库运行的自动控制,可靠性大大提高。
(2)PLC可实现各种复杂的控制系统,方便地增加或改变控制功能。
(3)PLC可进行故障自动检测与报警显示,提高运行安全性,并便于检修。
(4)用于群控调配和管理,并提高立体仓库利用效率。
(5)更改控制方案时不需改动硬件接线。
3.2 PLC的选型
根据系统的控制要求并从经济性和可靠性等方面来考虑,选择西门子S7-200系列PLC作为此模型控制系统的主机。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等之分。本设计所用立体仓库模型总共有12个数字输入,11个数字量输出,共需23点I/O点数,以及程序容量,选择了CPU226作为其主机。
CPU226具有以下特性。
(1)24输入/16输出共40个数字量I/O点。
(2)有6个32位高速计数器,6个30kHz的单相计数器,4个20kHz的双相计数器。
(3)两路脉冲输出,每路20kHz。
(4)两个8位分辨率的模拟量调节电位器。
(5)两个分辨率为1ms的定时中断。
(6)4个上升沿外部硬件中断输入,4个下降沿外部硬件中断输入。
(7)可选输入滤波时间有7个范围,从0.2~12.8ms。
(8)4096个字的程序容量(永久存储),2560个字的数据大小(永久存储)
(9)最多可以扩展7个I/O模块。最大数字量I/O为256点,最大模拟量I/O位32点输入和32点输入。
(10)256位的内部标志位(M寄存器)。
(11)256个定时器,有64个定时器可以通过超级电容或电池后备。其中分辨率为1ms的有4个,分辨率为10ms的有16个,分辨率为100ms的有236个。
(12)256个计数器,全部可以通过超级电容或电池后备。
(13)布尔指令执行速度为每条指令0.37µs。
(14)移位指令执行速度为每条指令34µs
(15)定时器/计数器执行速度为每条指令50~64µs
(16)单精度运算执行速度为每条指令46µs
(17)实时运算执行速度为每条指令100~400µs
(18)超级电容保持数据时间的典型值为190h。
(19)有2个RS-485的通信端口。
3.3 PLC的I/O资源配置
根据控制系统的功能要求,对PLC进行I/O及其他资源的分配,具体分配如表3-1所示。
 
表3-1  I/O资源配置
输入设备
输入地址
输出设备
输出地址
编码器A
I0.0
Z轴脉冲
Q0.0
编码器B
I0.1
Z轴方向
Q0.1
左限位
I0.2
X轴启动
Q0.2
右限位
I0.3
X轴方向
Q0.3
上限位
I0.4
推进气缸
Q0.4
下限位
I0.5
旋转气缸
Q0.5
前限位
I0.6
机械手
Q0.6
后限位
I0.7
小车定位气缸
Q0.7
小车检测传感器
I1.0
启动灯
Q1.0
启动
I1.1
复位灯
Q1.1
停止
I1.2
停止灯
Q1.2
复位
I1.3
 
 
 
 
根据系统的控制要求、 I/O分配情况,自动化立体仓库模型控制系统PLC控制部分的硬件接线图如图3-1所示。
图3-1  控制系统PLC控制部分硬件接线图 
图3-1  控制系统PLC控制部分硬件接线图
3.4其他资源配置
要完成系统的功能除了PLC及其扩展模块之外,还需要各种限位开关、传感器、电磁阀、编码器等仪器设备。
1.各种限位开关
在该系统中,总共用了6个限位开关:前限位开关、后限位开关、左限位开关、右限位开关、上限位开关、下限位开关。限位开关只要用来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。
(1)上限位开关。事先在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关,当机械手上升到能接触到上限位开关时,PLC控制机械手停止上升。
(2)下限位开关。事先在机械工作平台下方的合适位置上安装好限位开关,当机械手下降到能接触到下限位开关时,PLC控制机械手停止下降。
(3)左限位开关。左限位开关用于控制机械手在X轴向左运动的定位,事先在X轴的合适位置安装好限位开关,当机械手在向左运动接触到左限位开关时,PLC控制机械手停止向左运动。
(4)右限位开关。右限位开关用于控制机械手在X轴向右运动的定位,事先在X轴的合适位置安装好限位开关,当机械手在向右运动接触到左限位开关时,PLC控制机械手停止向右运动。
(5)前限位开关。前限位开关用于控制机械手手臂的伸长的定位,事先在推进气缸合适位置安装好限位开关,当手臂在推进气缸作用下伸长接触到前限位开关时,PLC控制手臂停止伸长。
(6)后限位开关。后限位开关用于控制机械手手臂的收缩的定位,事先在推进气缸合适位置安装好限位开关,当手臂在推进气缸作用下收缩接触到前限位开关时,PLC控制手臂停止收缩。
2.传感器
本设计采用了光电传感器和电容传感器2种,光电传感器用来检测小车的到达,电容传感器用来检测机械手在X轴上的移动。
3.各种电磁阀
在此机械手控制系统中,应用气压系统来驱动机械手,而气压是由电磁阀来控制的,即PLC控制电磁阀,从而控制气压系统,再由气压系统来驱动机械手。根据机械手的不同动作,主要有小车定位电磁阀、右旋电磁阀、推进电磁阀、抓紧电磁阀等。
(1) 小车定位电磁阀。控制气压驱动小车定位气缸。
(2) 右旋电磁阀。控制旋转气缸驱动机械手手臂做向右旋转运动。
(3) 推进电磁阀。控制推进气缸驱动机械手手臂做水平伸长运动。
(4) 抓紧电磁阀。控制气压驱动机械手手指做抓紧动作。
4.编码器
在此系统中,需要对机械手进行精确定位,所以在机械手在X轴移动时,要将电动机反馈信号同PLC发出的信号做比较,以检测机械手是否准确到位。
3.5 PLC控制机械手的运动
机械手系统的实现主要可以可以分为两个方面:一个方面是机械手的结构设计,这个属于结构设计的内容不属于本书要讨论的内容,因此不在讲述;另一个方面是机械手控制系统的设计,属于自动控制领域的内容,而传统的继电器控制的半自动化装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰,从而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题,已经不能满足机械手控制的要求。PLC的出现和发展,为这些问题的解决指明了方向。本文选择的是西门子S7—200系列的PLC。
本文讲述的三维机械手,主要是完成从传送带的小车上抓取工件盒,存放到货架上的过程,图3-2为立体仓库模型示意图。
图3-2 立体仓库模型示意图 
图3-2 立体仓库模型示意图
 
要完成这一任务,根据外界情况机械手在空间上主要进行以下动作:手指抓紧、手指松开、手臂伸长、手臂收缩、手臂左旋、手臂右旋、整体上升、整体下降。
机械手要完成上述动作主要由气压系统和步进电机来驱动,首先通过S7-200系列PLC对电磁阀进行控制,然后用电磁阀控制的气压系统来驱动机械手的动作。
(1)整体上升。是指机械手相对于工作台面做向上运动,使得机械手的高度满足要求。
(2)整体下降。是指机械手相对于工作台面做向下运动,使得机械手的高度满足要求。
(3)手臂左旋。是指整体高度保持不变,机械手相对于工作台面向左旋转到合适的位置,为从小车上取工件盒做好准备。
(4)手臂右旋。是指整体高度保持不变,机械手相对于工作台面向右旋转到合适的位置,为从小车上取工件盒做好准备。
(5)手臂伸长。是指保持高度和方向不变,手臂伸长到小车或仓位正上方,为小车取弓箭盒做好准备。
(6)手臂收缩。是指保持高度和方向不变,在抓起工件盒后或放下工件盒后,收缩手臂使得机械手安全转动。
(7)手指抓紧。是指机械手从小车上抓起工件盒。
(8)手指放开。是指机械手把工件盒放在指定位置。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
第四章 软件系统设计
 
本设计采用的是西门子公司专门为S7-200系列可编程控制器设计开发的STEP 7-Micro/WIN32,它功能强大,既可以作为用户开发控制程序使用,同时也可实时监控用户程序的执行状态。
前面介绍了PLC外围电路连接,以及PLC和各个元件的联系,这是控制系统的基础,改部分设计的好坏直接影响控制系统的功能。软件系统的设计都是在机械结构或者硬件结构确定后才开始,一般采用自上而下的设计方式,即先设计出控制系统的框图,然后按照具体的控制过程细化下去,接着完成各个模块的设计,然后总成调试。
4.1 总体流程设计
根据系统的控制要求,此自动化立体仓库模型的动作有以下几个步骤。
(1)在面板上按复位,X轴复位到前限位位置,Z轴复位到指定位置。
(2)小车检测传感器检测到小车、小车气缸定位
(3)X轴后退到小车上方、Z轴下降到位、机械手抓取工件
(4)Z轴上升、小车定位气缸复位
(5)X轴前进到前限位位置
(6)X轴运行到指定位置
(7)机械手手臂在旋转气缸作用下右旋到位
(8)机械手前进,放下工件
(9)机械手后退
(10)复位
若没有收到停止信号,则重复步骤(2)至(10);若收到停止信号,则停止所有PLC设备,使机械手所有动作停止。
根据以上机械手动作和要实现的功能,设计出如图4-1所示的控制系统流程图。
图4-1 控制系统流程图图4-1 控制系统流程图
4.2 各个模块的梯形图设计
当软件总体流程图设计完成后,就需要对各个控制过程进行分解细化,这样在程序编写时就会简洁明了,最后联合起来调试时也便于发现问题。当控制过程特别复杂的时候,采用模块化设计,就显得尤为重要。采用模块化的设计,调试时先调试某个模块的功能,可以及早的发现问题,到最后联调时若是出现问题就可以很快的找出原因及时解决。程序中用到的元件及设置如表4-1所示。
表4-1  元件设置
编   号
意  义
内   容
备  注
Q0.0
Z轴脉冲
 
 
Q0.1
Z轴方向
 
上行=1,下行=0
Q0.2
X轴启动
变频器启动
 
Q0.3
X轴方向
变频器方向
前行=0,后行=1
V0.0
启动标志
 
 
V0.1
复位标志
 
 
M0.4
停止标志
 
 
由于机械手的控制过程是按顺序执行的,所以在编程的时候采用顺序控制指令。本程序采用结构化编程,这样有利于程序的编辑、调试。
4.2.1 主程序梯形图
主程序主要包括一些初始化程序、复位、启动、停止、X轴运动等程序,具体程序如下:
(1)脉冲初始化程序:
(1)脉冲初始化程序: 
(2)高数计数器初始化:
(2)高数计数器初始化: 
(3)启动变频器: 
(3)启动变频器:
(4)调用计数器: 
(4)调用计数器:
 
按下停止按钮后,停止灯亮,其他都被复位
止按钮后,停止灯亮,其他都被复位如图所示 
在面板上按复位键,复位灯亮,同时停止灯灭;X轴一直向前行,直到碰到左限位,X轴起动断开;X轴复位完成。当到达复位位置时,复位灯熄灭。
 
 
Z轴复位,机械手每次上升200,直到碰到上限位开关I0.4为止
 
 
 
复位完成,到上限位后,中断返回程序;如果没有到上限位时,继续进行复位操作。
 
等待复位灯灭后,按下启动键,启动灯亮
 
放完一次工件后,置位V1.0,重新开始运行
 
启动后,X轴向后运行,Z轴向下运行
 
Z轴先下降一部分
 
检测到小车上工件到来时,小车定位气缸上升。
 
上次Z轴运行结束时已将V1.1置1,检测到小车上的工件来后,Z轴再下降到小车上方的工件位置处
 
 
Z轴下降到小车上工件位置时,已将V0.3置1;机械手抓取工件
 
机械手上行;上行位置由计数器决定;气缸动作次数决定计数器的值;Z轴运行后,定义Z轴为后行,等待T38闭合,使X轴启动;
 
抓取完工件后,X轴再往前行到左限位位置。Z轴运行结束已将V0.4置1;3s后,T38接通;X轴启动
 
Z轴运行结束时,已定义X轴运行方向为后行,选择的旋转编码器的精度为1000p/r,高速计数器A/B相4倍频正交输出,旋转编码器每旋转一周高速计数器接受到4000个脉冲,X轴后行25mm
 
X轴后行105mm
 
X轴后行185mm
 
X轴后行265mm
 
 
 
完成一次计数后,将V0.5置1;机械手向前伸出
 
延时2秒,保证放置工件时能放稳;机械手松开,工件落下。
 
 
2.5秒后,机械手稍微上行一点;Z轴运行结束将V0.7置1;再1秒后,机械手退回
 
机械手退回后,旋转气缸向左旋;3秒后X轴启动
 
放置完成一次工件后复位;Z轴上行,上行距离在Z轴复位子程序中完成; X轴前行,直到碰到前限位,使X轴启动中断,X轴复位结束。
 
4.2.2 Z轴运行梯形图
步进电动机的型号为日本SANYO 103H7823-0740,为两相混合式,步距角为,10倍细分,滚珠丝杆的螺距是4mm,即丝杆转动一圈,机械手在Z轴上的移动距离为4mm,传动比为1:1。故步进电机转一圈需要(360/1.8)×10=2000 puls。
机械手先下降到200,000
 
检测到小车后,小车定位气缸动作,机械手再下降65,000
 
 
机械手上升8000,放工件
 
机械手上升140,000,放工件
 
机械手上升255,000,放工件
 
 
放置完工件后,机械手上升7000
 
4.2.3 Z轴运行结束梯形图
第一次下降运行时
 
检测到小车后,且小车定位气缸已经动作后
 
上升到相应位置后,X轴往后行、前行多少由计数器决定,并返回主程序
 
4.2.4 计数器梯形图
    (1)仓库模型是3层12仓位库体,根据气缸摆动次数来计数,计数程序如下:
本文的计数程序如 
(2)计数中断
计数中断测试如图 
 
 
 
结论
 
毕业设计基本结束,从课题选择、方案论证到具体设计,每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战,也成就了我在大学期间独立完成的最大的项目。在设计的整个过程中我不断的去图书馆查阅相关资料、上网去了解课题的最新动向、在平时不断的总结与思考。本设计基本上达到了设计目的。
当然,本次设计还存在一些不足之处,例如:本设计是按实验室的柔性加工实训系统设计的,在实际中应用就要考虑好多实际因素的影响,在这里都忽略了,因此,实际中的立体仓库设计要比这难的多。但由于知识有限,本人没有考虑。。当然,设计中肯定还有其他不足和纰漏之处,请各位专家和老师指正。
毕业设计的完成这标志着大学的生活也许将要以此作为一个结束了,但大学结束了,我们的精神不能结束,我们追求我们事业的雄心壮志永远也不能结束。大学给了我一个追求辉煌的梦想。而我就在这个梦想下努力地朝着她飞翔!这个项目到目前为止仍没有做完,也许以后将会没有机会进行下去了,但她曾经给我们那么深的希望,让我们值得去回味以前为了这个所做的一切努力。
 
 
 
 
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