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                    PLC方式機械手邏輯控制的實現

                    添加時間:2020/06/20 來源:南京理工大學 作者:牛瑞利
                    本文結合我校柔性制造實驗室的建設,設計了多工位搬運機械手。該機械手由微型電機驅動實現遠程移動,由氣動手指、旋轉氣缸和直動氣缸驅動實現物料的抓取和定位擺放的功能。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      搬運機械手廣泛的用于機械加工自動線物流系統,是自動線中的重要裝備之一。

                      搬運機械手主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動,替代人工作業,特別是在有毒的、易燃易燦等惡劣環境內,得到廣泛應用。搬運機械手具有自動化程度高、動作靈活的特點,替代人工作業,加快了生產節拍,大幅度地提高了制造企業的生產效率和產品質量。工業上用的搬運機械手體積較大,價格昂貴。為了滿足教學上的需要,設計-一種小巧、 靈活控制的小型搬運機械手具有重要的意義。

                      本文結合我校柔性制造實驗室的建設,設計了多工位搬運機械手。該機械手由微型電機驅動實現遠程移動,由氣動手指、旋轉氣缸和直動氣缸驅動實現物料的抓取和定位擺放的功能。通過人機界面(觸摸屏)加PLC的方式實現對機械手邏輯控制、操作控制和在線監測。

                      本文通過對小型搬運機械手控制要求的分析,決定采用西門子(SIEMENS) 公司可編程序控制器S7-200系列的CPU226 AC/DCRLY型PLC和TP177B PNDP型人機界面對機械手進行聯合控制。運用SIMATIC WinCC flexible軟件對TP177B觸摸屏設計了組態界面,操作界面、監測界面,在人機界面中添加了變量,設置了連接,可以通過觸摸屏實現對搬運機械手的控制和監測。本文設計了PLC的控制原理圖,進行了IO地址的分配,編寫了控制程序,實現了控制要求。

                      本文闡述的方法不僅可以用于小型搬運機械手控制系統的設計,還可以用于其它組態控制的自動控制系統。對于開發系列化產品的搬運機械手控制系統,具有普適意義。

                      關鍵詞:機械手; PLC ;觸摸屏:氣動; 程序設計
                     

                    機械手

                    Abstract

                      Carrying manipulator is widely lised in mechanical processing automatic linc logisticssystem, and it is one of the important equipment in automatic line. Carrying manipulator ismainly used for moving of parts or finished products in a fixed position. replacing manwaloperations. It is widely used, particularly in the bad environment. such as in the toxic.flammable and explosive environment. Carrying manipulator has the characteristics ofhigh automation, flexible action, replacing manual operation, speeding up the productionthythm, greatly improving the production eficiency and the quality of the product ofmanufacturing enteprises. The volume of carrying manipulator in industrial use is largerand the price is expensive. In order to meet the needs of teaching to design a small, flexiblecontrol small carrying manipulator has an important significance.

                      This paper designs a muli-station carrying manipulator combines with theconstruction of our school's flexible manufacturing laboralory, This manipulator is drivenby micro motor to realize remote mobile.Through the implementation by the pneumaticfinger. rotating cylinder and cylinder driving to realize moving material fetching andpositioning function.Through the manner of man-machine interface (touch screen) andPLC to finish logic control, operation control and on-line monitoring of the manipulator.

                      Through the analysis of small carrying manipulator control requirements, this paperdecides to adopt CPU226 AC/DCRLY PLC of SIEMENS S7-200 series and TP177BPN/DP type man-machine interface to joint control manipulator. Using SIMATIC WinCCflexible in TP177B touch screen to design the configuration, operation, monitoringinterface. Adding a variable to the interface. setting up a conction, and it can control andmonitor carrying manipulator by the touch screen.

                      This thesis also designs control principle diagram of PLC, allocates the l/0 address,writes the control program and finally achieves the control requirements. The method inthis paper not only can be used for the designing of small carrying manipulator controlsystem, but also it can be used for automatic control systcm of other configuration control.It has a universal significance to the development of series products of carryingmanipulator control system.

                      Keywords: Manipulator;PLC;Touch screen:pneumatic power transmission;program design

                    目錄

                      1緒論

                      1.1課題研究背景及意義

                      機械手的發展歷史可以追溯到十九世紀六十年代美國的GeogeC.D成功研制第一部電子的可以進行程序編制的關節傳送裝置。第二次世界大戰結束后,美國的國家能源實驗室又成功的研制了過控式操作機械手。近年來,隨著社會的發展科技的進步以及工業化進程的推進,機械手廣泛的應用于機械加工、汽車加工、貨物搬運等領域,并且其在航空航天、生物科技、先進制造技術等領域也得到了普遍的重視。而機械手的研究也成為集成機械、控制、電子等多種學科的交叉學科。

                      機械手近年來被廣泛的應用于各個領域,并且得到了人們越來越多的關注和重視主要是因其具備無可比擬的優點,主要概括如下:

                      1、機械手可以替代部分甚至全部的人力操作,減少了人力勞動強度,解放了勞動力,便于生產的工業化、節奏化川。

                      2、機械手可以克服高溫、高壓、污染性、放射性的工作條件進行作業。

                      3、機械手極大地提高了生產效率,加速了工業自動化的進程。

                      工業自動化的迅速發展加速了可編程控制器的誕生,同時隨著電工電子和自動控制技術的發展,借助于計算機技術,可編程控制器在軟件的編程、硬件的配置、模擬量的控制、通訊聯網等方面都得到了極大的發展。

                      利用可編程控制器來實現系統的邏輯控制,計算靈活而且通用性相對較強,同時也減少了接線工作,節省了時間?删幊炭刂破鞑捎玫氖翘菪螆D語言,簡單易懂,容易學習,進而可以提高工作人員的編程效率。這也使得可編程控制器的使用性更強,使用范圍更廣。

                      與美國、德國等機械化水平較高的國家相比,我國的機械化水平較低,機械手的應用范圍相對較少,不是很普及,而利用可編程控制器實現機械手的控制的情況更加少。針對這個情況,本文設計的機械手就是通過可編程控制器來實現自動化控制的,通過此次設計還可以更進一步學習可編程控制器的的相關知識,了解世界先進水平,并將其盡可能多的應用于工程實踐。

                      WinCCflexile是德國西門子(SIEMENS)公司工業全集成自動化(TIA)的子產品,是一款面向機器的自動化概念的人機界面(HMI)軟件2.本文設計的可編程控制器通過WinCCflexible組態軟件對機械手進行監控,將機械手的動作過程進行了動畫顯示,使機械手的動作過程更加生動形象。

                      1.2機械手在國內外研究現狀及發展

                      機械手自二十世紀六十年代初問世以來,經過四十多年的不斷發展,機械手在機械生產制造中的地位越來越重要甲,機械手的發展大致經歷了三代。第一代機械手是程序控制機械手,采用的是點位控制系統來控制其動作,無法針對外界環境做出反應,而現在使用的機械手大多數屬于這一類。第二代機械手具有感覺器官,仍然以程序控制為基礎,但可以根據外界環境信息對控制程序進行校正。它是在第一一代的基礎上采用了適應性算法,并且引入了接觸傳感器等傳感裝置,因此可以對外界環境做出一定的反應。第三代機械手是在第一代、第二代機械手的基礎上發展而來,彌補了前兩代機械手的不足之處,能夠對外界的環境信息做出相應的處理,而且更加趨于智能化,不僅能識別外界環境中的實物,還具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺,能實現搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作,具有專家知識、語音功能和自學能力等人工智能。

                      目前機械手技術有了新的發展,出現了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(如細小工業管道機械手移動探測系統、微型飛行器等)、機械手化機器、智能機械手(不僅可以進行事先設定的動作,還可按照工作狀況相應地進行動作,如回避障礙物的移動,作業順序的規劃,有效的動態學習等)。機械手的應用領域也正在向非制造業和服務業方向延伸4日。

                      近幾年國外工業機械手有了很快的發展。它的發展趨勢如下:機械手性價比提高,單機機械手性能不斷提高而價格下降:機械手的機械結構組成正向著模塊化、可重構化發展:控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展:傳感器在機械手的應用領域,作用日益重要:虛擬現實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制[7-8)。

                      目前國內已掌握了一些機種(如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手)機械手的技術。主要表現在,基本掌握了機械手操作機的設計制造技術,解決了控制驅動系統的設計和配置,軟件的設計和編制等關鍵技術,還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設備的全套自動通信、協調控制技術:在基礎元件方面,諧波減速器、機械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術方面來說,我國已經具備了獨立自主發展中國機械手技術的基礎9.

                      總之機械手目前已發展成為了制造業生產自動化中十分重要的機電設備。它的發展前景非常廣闊。主要表現在以下幾方面:一是伴隨著現代控制技術和微電子技術的發展,機械手重復精度提高,其定位準確性得到增強;二是機械手已逐漸發展成具有重構化的機械結構,即模塊化。機械手經模塊化的機械結構拼裝,可具有"根據實際作業需要啟動所需的模塊,實現所對應的功能"和"使同一機械手具有不同的功能,增大其應用范圍":三是低碳理念已逐步應用于機械手的設計中。它的設計將以無污染、節能為前提。如在氣動機械手設計中用一些新型材料制造無潤滑元件,不僅使系統簡化,且有著穩定的摩擦性能及較長的壽命。值得重視的是,隨著機電一體化技術的發展,機械手控制系統將向基于PC機的開放控制方向發展。隨著傳感器技術在工業技術中的應用日益擴大,由"可編程控制器、傳感器、動作元件"組成的典型自動化控制系統依然會是主流發展方向。且在此系統中,傳統的"開關控制"也將逐步轉變為"反饋控制",從而進一步提升機械手控制系統的精度。

                      1.3本論文主要研究內容

                      本文主要研究的是基于可編程控制器的小型搬運機械手控制系統的設計,包括硬件設計和軟件設計。通過設計編制可編程控制器程序實現搬運機械手控制系統的自動控制。利用組態軟件WinCCflexible設計出人機對話界面,實現設備和數據對象的連接、動畫連接以及機械手的監控。并通過WinCCflexible將機械手的動作過程進行動畫演示,使機械手的動作形象化,進而可以較為直觀、清晰、準確地反映機械手運行狀態,并為后期機械手的維修和故障診斷提供多方面的可行性,充分提高系統的工作效率?刂葡到y的整體框圖如圖1.1所示。

                      本論文共6章,各章的具體內容如下:

                      第1章介紹了機械手、可編程控制器的作用,搬運機械手在國內外的研究現狀及發展趨勢、課題意義和論文主要研究內容。

                      第2章主要介紹了機械手的一般組成、控制方式及應用概況等相關內容。重點闡述了本文采用的園柱坐標式機械手的結構設計并詳細說明了機械手要完成物料入庫。

                      出庫和交換庫三個主要任務的運動方案。

                      第3章閘述了從驅動方式上:比較。氣動機械手較其他力式驅動的機械手的優勢,重點介紹了本文中的機械手采用'(缸驅動的I作原理。

                      第4章閘述了可編程控制器的組成和工作原理,介紹了PLC的選型及PLC與外國部件傳感器的連接情況。重點闡述了搬運機械手控制系統的輸入/輸出配置、外部電氣接線圖及實現入庫、出庫和交換庫功能的主程序和三個子程序的設計。

                      第5章介紹了觸摸屏TP177BDP/PN和創新性人機界面(HMI)軟件SIMATICWinCCflexible;介紹了PC機與觸摸屏、PLC,PLC與觸摸屏的通訊連接設置:詳述了小型搬運機械手的觸摸屏控制方案,并組態了實現機械手入庫、出庫和交換庫功能的不同界面。

                      第6章對整篇論文進行了總結和討論,概括總結機械手控制系統設計的結果和不足之處。





                      2機械手的結構設計
                      2.1機械手組成
                      2.2機械手的結構設計
                      2.3機械手 的運動方案
                      2.4機械手的應用
                      2.5 本章小結

                      3氣動搬運機械手工作原理。
                      3.1機械手的分類
                      3.2機械手按驅動方式分類比較
                      3.3氣動技術優勢
                      3.4氣動機械手工作原理
                      3.5本章小結

                      4搬運機械手PLC控制方案
                      4.1可編程控制器 (PLC) 概述
                      4.1.1可編程控制器 的概述。
                      4. 1.2可編程控制器 的應用領域。
                      4.1.3可編程控制器系統組成
                      4.1.4可編程控制器的工作 原理。
                      4.1.5 PLC的選型

                      4.2機械手檢測元件概述
                      4.2.1旋轉編碼器
                      4.2.2光電傳感器。
                      4.3 機械手控制要求
                      4.4 PLC 1/0配置。
                      4.5電氣接線 原理圖
                      4.6 PLC 的程序設計與調
                      4.7 本章小結

                      5搬運機械手的觸損屏控制方案。
                      5.1 觸摸屏TP177B概述
                      5.2 SIMATIC WincC flexible
                      5.3 機械手控制系統的通訊設置
                      5.3.1 觸損屏和P:/PC端口設置。
                      5.3.2 PLC通訊實現

                      5.4搬運機械手觸摸屏控制界面
                      5.4.1 基于搬運機械手控制創建組態"TPI77B. Handling" 項目
                      5.4.2創建機械 手動作組態畫面
                      5.5 機械手在TVT- METSA實訓臺上的運行結果
                      5.5 本章小結

                    6結論

                      本論文介維了機械下的定義、分類、組成、發展、應川及研究現狀,針對TVT-METSA自動生產線拆裝'j調試實訓裝置上的搬達機械手的結構、' (小驅動控制原理進行了設計。介紹了可編程控制器的概念、特點、成川領域,發展趨勢、從本組成、工作原理、WinCC flexible 組態軟件,并詳細介紹了S7-200系列PLC的物點及性能比較。根據控制要求設計了PLC外部電路、控制程序,選擇了檢測心件旋轉編碼器、光電傳感器的型號,并進行了PLC與檢測元件及觸摸屏的連接。利用組念軟件設計了控制系統的人機界面實施動態監測。本論文結論如N:

                      1、本論文機械手采用圓柱坐標型機械手,設計了機械手的結構由一個旋轉運動和兩個直線運動三個自由度組成,并繪制了手臂、手部的結構圖,說明了其工作原理。

                      2、通過對各種傳動方式的比較,本論文中的搬運機械手采用氣壓驅動。機械手動作由四個氣缸完成。設計了氣缸的回路圖、控制氣缸動作的電磁鐵動作表并對氣壓控制的原理進行了闡述。

                      3、為優化機械手的控制系統,選擇了S7-200 CPU226AC/DC/RLY型可編程控制器進行控制,選擇了E6A2-CWSC增量式旋轉編碼器和SICK WT14-2P422光電傳感器,設置了它們與PLC的連接。設計了PLC, 11 個輸入、8 個輸出的外部電路接線圖,編制了主程序控制機械手的動作,編制了3個子程序實現物料入庫、出庫、交換庫三個功能。

                      4、建立了觸摸屏、PLC、 PC 機間的通訊設置,完成了觸摸屏TP177B的界面設計。利用WinCC flexible組態軟件設計了機械手動作界面、初始界面、入庫界面、出庫界面、交換庫界面、報警界面等人機界面實施對機械手的動態監控。

                      5、全部程序均采用模塊化設計思想,不僅在設計時結構清晰,還易于檢查和修改。程序采用梯形圖編寫,簡單、易懂。 .

                      6、經調試運行,采用氣壓驅動、PLC控制及觸摸屏監測的0動生產線上:的小型搬運機械手能完成控制要求。

                      當然,本次論文關于搬運機械手的設計還存在一一些不足,例如:論文只是對PLC的控制以及PLC編程做了闡述,對限位開關和紅外檢測器并末做出選擇,同時本文對PLC控制機械手實現多物件的入庫、出庫、交換庫功能未做設計,懇請專家和老師指正。

                      致謝

                      首先,衷心地感謝我的導師彭樹生教授。彭教授在我完成論文的過程中,給予了我很多幫助,尤其是在論文框架設計、結構調整,包括在完成本論文設計中的專業難題上,都提出了很多有意義的建議。彭教授嚴謀的治學態度。精益求精、誨人不倦的學者風范以及正直無私、磊落大度的高尚品格都讓我受益匪淺。至此對我的導師表示衷心的感謝!

                      其次我要感謝李宏偉高級工程師。他在我讀研的幾年時間里,給予了我很多專業研究方面的寶貴意見。在撰寫論文期間,李工I更是對本次設計提出了許多建議。

                      再次我要感謝河南工業大學薛東彬副教授。薛老師在論文完成過程中,對設計程序的調試,論文文字的修改,以及最后的定稿等方面都提出了指導性的意見。同時我要感謝我的同事,有了他們的幫助才使我能順利完成本論文。

                      最后,衷心地感謝為審閱此文付出辛勞的專家和老師!

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