PLC方式机械手逻辑控制的实现

摘要

　　搬运机械手广泛的用于机械加工自动线物流系统，是自动线中的重要装备之一。

　　搬运机械手主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，特别是在有毒的、易燃易燦等恶劣环境内，得到广泛应用。搬运机械手具有自动化程度高、动作灵活的特点，替代人工作业，加快了生产节拍，大幅度地提高了制造企业的生产效率和产品质量。工业上用的搬运机械手体积较大，价格昂贵。为了满足教学上的需要，设计-一种小巧、 灵活控制的小型搬运机械手具有重要的意义。

　　本文结合我校柔性制造实验室的建设，设计了多工位搬运机械手。该机械手由微型电机驱动实现远程移动，由气动手指、旋转气缸和直动气缸驱动实现物料的抓取和定位摆放的功能。通过人机界面（触摸屏）加PLC的方式实现对机械手逻辑控制、操作控制和在线监测。

　　本文通过对小型搬运机械手控制要求的分析，决定采用西门子（SIEMENS） 公司可编程序控制器S7-200系列的CPU226 AC/DCRLY型PLC和TP177B PNDP型人机界面对机械手进行联合控制。运用SIMATIC WinCC flexible软件对TP177B触摸屏设计了组态界面，操作界面、监测界面，在人机界面中添加了变量，设置了连接，可以通过触摸屏实现对搬运机械手的控制和监测。本文设计了PLC的控制原理图，进行了IO地址的分配，编写了控制程序，实现了控制要求。

　　本文阐述的方法不仅可以用于小型搬运机械手控制系统的设计，还可以用于其它组态控制的自动控制系统。对于开发系列化产品的搬运机械手控制系统，具有普適意义。

　　关键词：机械手； PLC ;触摸屏：气动； 程序设计
 

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

目录

　　1绪论

　　1.1课题研究背景及意义

　　机械手的发展历史可以追溯到十九世纪六十年代美国的GeogeC.D成功研制第一部电子的可以进行程序编制的关节传送装置。第二次世界大战结束后，美国的国家能源实验室又成功的研制了過控式操作机械手。近年来，随着社会的发展科技的进步以及工业化进程的推进，机械手广泛的应用于机械加工、汽车加工、货物搬运等领域，并且其在航空航天、生物科技、先进制造技术等领域也得到了普遍的重视。而机械手的研究也成为集成机械、控制、电子等多种学科的交叉学科。

　　机械手近年来被广泛的应用于各个领域，并且得到了人们越来越多的关注和重视主要是因其具备无可比拟的优点，主要概括如下：

　　1、机械手可以替代部分甚至全部的人力操作，减少了人力劳动强度，解放了劳动力，便于生产的工业化、节奏化川。

　　2、机械手可以克服高温、高压、污染性、放射性的工作条件进行作业。

　　3、机械手极大地提高了生产效率，加速了工业自动化的进程。

　　工业自动化的迅速发展加速了可编程控制器的诞生，同时随着电工电子和自动控制技术的发展，借助于计算机技术，可编程控制器在软件的编程、硬件的配置、模拟量的控制、通讯联网等方面都得到了极大的发展。

　　利用可编程控制器来实现系统的逻辑控制，计算灵活而且通用性相对较强，同时也减少了接线工作，节省了时间。可编程控制器采用的是梯形图语言，简单易懂，容易学习，进而可以提高工作人员的编程效率。这也使得可编程控制器的使用性更强，使用范围更广。

　　与美国、德国等机械化水平较高的国家相比，我国的机械化水平较低，机械手的应用范围相对较少，不是很普及，而利用可编程控制器实现机械手的控制的情况更加少。针对这个情况，本文设计的机械手就是通过可编程控制器来实现自动化控制的，通过此次设计还可以更进一步学习可编程控制器的的相关知识，了解世界先进水平，并将其尽可能多的应用于工程实践。

　　WinCCflexile是德国西门子（SIEMENS）公司工业全集成自动化（TIA）的子产品，是一款面向机器的自动化概念的人机界面（HMI）软件2.本文设计的可编程控制器通过WinCCflexible组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加生动形象。

　　1.2机械手在国内外研究现状及发展

　　机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过四十多年的不断发展，机械手在机械生产制造中的地位越来越重要甲，机械手的发展大致经历了三代。第一代机械手是程序控制机械手，采用的是点位控制系统来控制其动作，无法针对外界环境做出反应，而现在使用的机械手大多数属于这一类。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。它是在第一一代的基础上采用了适应性算法，并且引入了接触传感器等传感装置，因此可以对外界环境做出一定的反应。第三代机械手是在第一代、第二代机械手的基础上发展而来，弥补了前两代机械手的不足之处，能够对外界的环境信息做出相应的处理，而且更加趋于智能化，不仅能识别外界环境中的实物，还具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。

　　目前机械手技术有了新的发展，出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域也正在向非制造业和服务业方向延伸4日。

　　近几年国外工业机械手有了很快的发展。它的发展趋势如下：机械手性价比提高，单机机械手性能不断提高而价格下降：机械手的机械结构组成正向着模块化、可重构化发展：控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展：传感器在机械手的应用领域，作用日益重要：虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制[7-8）。

　　目前国内已掌握了一些机种（如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手）机械手的技术。主要表现在，基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术：在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础9.

　　总之机械手目前已发展成为了制造业生产自动化中十分重要的机电设备。它的发展前景非常广阔。主要表现在以下几方面：一是伴随着现代控制技术和微电子技术的发展，机械手重复精度提高，其定位准确性得到增强；二是机械手已逐渐发展成具有重构化的机械结构，即模块化。机械手经模块化的机械结构拼装，可具有"根据实际作业需要启动所需的模块，实现所对应的功能"和"使同一机械手具有不同的功能，增大其应用范围":三是低碳理念已逐步应用于机械手的设计中。它的设计将以无污染、节能为前提。如在气动机械手设计中用一些新型材料制造无润滑元件，不仅使系统简化，且有着稳定的摩擦性能及较长的寿命。值得重视的是，随着机电一体化技术的发展，机械手控制系统将向基于PC机的开放控制方向发展。随着传感器技术在工业技术中的应用日益扩大，由"可编程控制器、传感器、动作元件"组成的典型自动化控制系统依然会是主流发展方向。且在此系统中，传统的"开关控制"也将逐步转变为"反馈控制",从而进一步提升机械手控制系统的精度。

　　1.3本论文主要研究内容

　　本文主要研究的是基于可编程控制器的小型搬运机械手控制系统的设计，包括硬件设计和软件设计。通过设计编制可编程控制器程序实现搬运机械手控制系统的自动控制。利用组态软件WinCCflexible设计出人机对话界面，实现设备和数据对象的连接、动画连接以及机械手的监控。并通过WinCCflexible将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化，进而可以较为直观、清晰、准确地反映机械手运行状态，并为后期机械手的维修和故障诊断提供多方面的可行性，充分提高系统的工作效率。控制系统的整体框图如图1.1所示。

　　本论文共6章，各章的具体内容如下：

　　第1章介绍了机械手、可编程控制器的作用，搬运机械手在国内外的研究现状及发展趋势、课题意义和论文主要研究内容。

　　第2章主要介绍了机械手的一般组成、控制方式及应用概况等相关内容。重点阐述了本文采用的园柱坐标式机械手的结构设计并详细说明了机械手要完成物料入库。

　　出库和交换库三个主要任务的运动方案。

　　第3章闸述了从驱动方式上：比较。气动机械手较其他力式驱动的机械手的优势，重点介绍了本文中的机械手采用'（缸驱动的I作原理。

　　第4章闸述了可编程控制器的组成和工作原理，介绍了PLC的选型及PLC与外国部件传感器的连接情况。重点阐述了搬运机械手控制系统的输入/输出配置、外部电气接线图及实现入库、出库和交换库功能的主程序和三个子程序的设计。

　　第5章介绍了触摸屏TP177BDP/PN和创新性人机界面（HMI）软件SIMATICWinCCflexible;介绍了PC机与触摸屏、PLC,PLC与触摸屏的通讯连接设置：详述了小型搬运机械手的触摸屏控制方案，并组态了实现机械手入库、出库和交换库功能的不同界面。

　　第6章对整篇论文进行了总结和讨论，概括总结机械手控制系统设计的结果和不足之处。

　　2机械手的结构设计
　　2.1机械手组成
　　2.2机械手的结构设计
　　2.3机械手 的运动方案
　　2.4机械手的应用
　　2.5 本章小结

　　3气动搬运机械手工作原理。
　　3.1机械手的分类
　　3.2机械手按驱动方式分类比较
　　3.3气动技术优势
　　3.4气动机械手工作原理
　　3.5本章小结

　　4搬运机械手PLC控制方案
　　4.1可编程控制器 （PLC） 概述
　　4.1.1可编程控制器 的概述。
　　4. 1.2可编程控制器 的应用领域。
　　4.1.3可编程控制器系统组成
　　4.1.4可编程控制器的工作 原理。
　　4.1.5 PLC的选型

　　4.2机械手检测元件概述
　　4.2.1旋转编码器
　　4.2.2光电传感器。
　　4.3 机械手控制要求
　　4.4 PLC 1/0配置。
　　4.5电气接线 原理图
　　4.6 PLC 的程序设计与调
　　4.7 本章小结

　　5搬运机械手的触损屏控制方案。
　　5.1 触摸屏TP177B概述
　　5.2 SIMATIC WincC flexible
　　5.3 机械手控制系统的通讯设置
　　5.3.1 触损屏和P:/PC端口设置。
　　5.3.2 PLC通讯实现

　　5.4搬运机械手触摸屏控制界面
　　5.4.1 基于搬运机械手控制创建组态"TPI77B. Handling" 项目
　　5.4.2创建机械 手动作组态画面
　　5.5 机械手在TVT- METSA实训台上的运行结果
　　5.5 本章小结

6结论

　　本论文介维了机械下的定义、分类、组成、发展、应川及研究现状，针对TVT-METSA自动生产线拆装'j调试实训装置上的搬达机械手的结构、' （小驱动控制原理进行了设计。介绍了可编程控制器的概念、特点、成川领域，发展趋势、从本组成、工作原理、WinCC flexible 组态软件，并详细介绍了S7-200系列PLC的物点及性能比较。根据控制要求设计了PLC外部电路、控制程序，选择了检测心件旋转编码器、光电传感器的型号，并进行了PLC与检测元件及触摸屏的连接。利用组念软件设计了控制系统的人机界面实施动态监测。本论文结论如N:

　　1、本论文机械手采用圆柱坐标型机械手，设计了机械手的结构由一个旋转运动和两个直线运动三个自由度组成，并绘制了手臂、手部的结构图，说明了其工作原理。

　　2、通过对各种传动方式的比较，本论文中的搬运机械手采用气压驱动。机械手动作由四个气缸完成。设计了气缸的回路图、控制气缸动作的电磁铁动作表并对气压控制的原理进行了阐述。

　　3、为优化机械手的控制系统，选择了S7-200 CPU226AC/DC/RLY型可编程控制器进行控制，选择了E6A2-CWSC增量式旋转编码器和SICK WT14-2P422光电传感器，设置了它们与PLC的连接。设计了PLC, 11 个输入、8 个输出的外部电路接线图，编制了主程序控制机械手的动作，编制了3个子程序实现物料入库、出库、交换库三个功能。

　　4、建立了触摸屏、PLC、 PC 机间的通讯设置，完成了触摸屏TP177B的界面设计。利用WinCC flexible组态软件设计了机械手动作界面、初始界面、入库界面、出库界面、交换库界面、报警界面等人机界面实施对机械手的动态监控。

　　5、全部程序均采用模块化设计思想，不仅在设计时结构清晰，还易于检查和修改。程序采用梯形图编写，简单、易懂。 .

　　6、经调试运行，采用气压驱动、PLC控制及触摸屏监测的0动生产线上：的小型搬运机械手能完成控制要求。

　　当然，本次论文关于搬运机械手的设计还存在一一些不足，例如：论文只是对PLC的控制以及PLC编程做了阐述，对限位开关和红外检测器并末做出选择，同时本文对PLC控制机械手实现多物件的入库、出库、交换库功能未做设计，恳请专家和老师指正。

　　致谢

　　首先，衷心地感谢我的导师彭树生教授。彭教授在我完成论文的过程中，给予了我很多帮助，尤其是在论文框架设计、结构调整，包括在完成本论文设计中的专业难题上，都提出了很多有意义的建议。彭教授严谋的治学态度。精益求精、诲人不倦的学者风范以及正直无私、磊落大度的高尚品格都让我受益匪浅。至此对我的导师表示衷心的感谢！

　　其次我要感谢李宏伟高级工程师。他在我读研的几年时间里，给予了我很多专业研究方面的宝贵意见。在撰写论文期间，李工I更是对本次设计提出了许多建议。

　　再次我要感谢河南工业大学薛东彬副教授。薛老师在论文完成过程中，对设计程序的调试，论文文字的修改，以及最后的定稿等方面都提出了指导性的意见。同时我要感谢我的同事，有了他们的帮助才使我能顺利完成本论文。

　　最后，衷心地感谢为审阅此文付出辛劳的专家和老师！

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　　附录

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