某搬运工件机械手控制系统设计.docx
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某搬运工件机械手控制系统设计
某搬运工件机械手控制系统设计
作者姓名:
xxx
专业名称:
机械工程及自动化
指导教师:
xxxx副教授
摘要
搬运机械手是企业自动化生产线中重要设备之一,其性能的优劣直接影响到产品的产量和质量。
因此,设计性能优良的搬运机械手控制系统对于提高产品产量和质量具有十分重要的意义。
论文针对完成曲轴在两条生产线之间搬运任务的搬运机械手控制系统进行设计。
采用了电液一体化的设计方案,液压缸实现了机械手对工件的抓放,通过伺服电机来实现机械手在水平、竖直方向快速精确的移动。
采用SIEMENS公司的SIMATICS7-200系列PLC作为核心控制器,外扩定位模块EM253模块对伺服电机进行精确的定位控制,从硬件和软件两个方面进行设计,完成了PLC在搬运机械手中硬件连接,I/O点分配和应用程序的设计,实现了机械手的上电初始化、零点复位、故障报警、手动运行、半自动运行和在无人看守时的自动运行。
最终达到设计要求,完成搬运目的。
关键词:
搬运机械手PLC定位模块EM253控制系统
Abstract
Carryingmanipulatorisoneoftheimportantequipmentintheenterpriseautomaticproductionline,whoseperformancequalitydirectlyaffectproductqualityandproduction.Therefore,thedesignofexcellentpropertiescarryingmanipulatorcontrolsystemtoimproveproductqualityandproductionisveryimportant.
Thispaperaimedatdesigningthecarryingmanipulatorhandlingmissioncontrolsystemwhichachievedthecrankshaftbetweentwoproductionlines.Adoptingelectricalintegrationdesign,weusealockingfunctionofthecylindertorealizethemanipulatorgraspoftheworkpieceinputandguaranteetheexpiredcondition,throughstateofmanipulatorkeepservomotormovequicklyandaccuratelyinlevelandtheverticaldirection.AdoptSIEMENScompanySIMATICS7-200PLCasthecorecontroller,theoutsideenlargeEM253performsaccuratepositioningcontrolinmodulemoduleofservomotor,designingfromtwoaspectsofhardwareandsoftware,completedinhandlingmechanicalhandPLChardwareconnection,I/Opointdistributionandapplicationofthedesign,realizingthemanipulatoronelectricityinitialization,zeroreset,faultalarm,manualoperation,semi-automaticoperationandtheautomaticoperationwhennokeepingwatch.Finallyachivedthedesignrequirementsandcompletedhandlingpurpose.
KEYWORDS:
carryingmanipulator,PLCPositionModuleEM253,controlsystem
前言
工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色,是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备,是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支,它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。
本次的课题是搬运工件机械手系统设计
初始参数与设计要求:
1、抓重:
0~100N;
2、自由度:
3个;
3、机械部部运动参数:
运动名称
符号
行程范围(mm)
水平
X
0-2000
垂直
Z
0-200
4、手指夹持范围:
棒料,Φ60mm~Φ120mm,长度100~450mm;
5、定位方式:
定位模块EM253;
6、驱动方式:
步进电机、液压(中、低压系统);
7、定位精度:
±3mm;
8、控制方式:
自动、半自动、手动。
机械手抓重为100N,按工业机械手的分类,属于中小型,按用途分为专用机械手,其特点是具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样,专用机械手的工作范围小、定位精度高、小巧灵活的特点。
本课题的研究主要是将一定尺寸的棒料从一个自动生产线搬运到另一个自动生产线的控制系统。
机械手部采用液压缸驱动完成夹取、放松工件,其液压线路图见附录2。
机械手臂的上升、下降和机座的水平移动都用步进电机驱动。
两生产线的布置和具体位置参数,如图0.1所示。
图0.1机械系统整体布局示意图
机械手主要由手部、腕部、升降部、滑动部、机座和控制箱,以及其它附件组成。
其中手部为四指结构,其运动由带有自锁功能的液压缸完成;升降部以导轨为导向装置,其运动由伺服电机驱动丝杠来完成;滑动部也是以导轨为导向装置,其运动由伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动来完成。
PLC和相关控制器件安装于控制箱内,通过电缆和信号线与机械手进行联接。
机械手的定位采用脉冲数来控制,升降运动和滑动都有快慢速调整,调整位置也由脉冲数来控制,而速度由脉冲频率调整。
在料架1和料架2上分别安装接近开关,进行生产线上有无工件的检测,满足在料架1有工件时机械手才进行下降和抓取,料架2上无工件时机械手才下降放下工件。
机械手还满足在掉电时能够自锁,保持当前的状态。
系统上电后机械手开始初始化,初始化完毕后选择工作方式,分别为手动模式,半自动模式,自动模式。
手动模工作式下,操作员可以通过控制面板控制机械手的单步运动和零点复位,能够在机械手故障时进行检修。
半自动工作方式下,只要操作员选择半自动工作方式,然后按下启动按钮,机械手首先会零点复位,然后检查料架1有工件,机械手下降抓取工件,上升前进,检测料架2上无工件机械手下降放下工件,返回原点,一个周期的动作完成,机械手停机。
自动方式开始工作下,按下启动按钮,两台伺服电机通电,滑台、升降台、液压缸等回到原位,液压表显示正常。
机械手运动到上、左原点位。
当检测到料架1上有工件时,电机1反转,升降台快速下降,达到一定脉冲数后减速,到达下工位2时,电机1停转;液压缸收缩夹紧工件,当液压缸压力到达一定程度时压力传感器得电表明工件夹紧;电机1正转,升降台先快速上升,达到一定脉冲数后时减速,当到达上原点时,电机1停转,升降台停止;电机2反转,滑台快速前进,达到一定脉冲数后滑台减速,到达右工位时电机2停止;当检测到生产线2无工件时,电机1反转,升降台快速下降,达到一定脉冲数后减速,到达下工位1时电机1停转;液压缸伸长放开工件,压力传感器失电表明工件已松开;电机1正转,升降台上升,先快速后慢速,当到达上原点时电机1停转,升降台停止;电机2正转,滑台返回到初始位置,电机2停止。
一个工作流程结束,机械手的工艺流程如图0.2所示。
图0.2机械手的工艺流程
1系统主要部件选择
搬运工件机械手驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制,同时还要考虑成本因素的影响以及所能达到的技术水平。
驱动元件是伺服系统的重要组成部分,是系统的执行元件,它的作用是把驱动控制线路的电信号转换为机械运动。
整个伺服系统的调速性能、动态特性、运动精度等均与驱动元件有密切关系。
常用的驱动方式主要有液压驱动、电气压驱动和电-液驱动三种基本类型。
结合各种驱动类型的特点和机械结构设计与传动类型的选择。
本机械手采用电—液结合的驱动方式。
其中,机械手的升降和平移都采用交流伺服电机驱动,手部的开合采用液压缸驱动。
1.1液压缸的选择
夹紧装置是使手爪开、闭动作的动力装置。
根据机械手部的夹紧力和手部张开后指尖距离,如图1.1所示为液压缸。
图1.1液压缸
手指对工件的夹紧力可按公式计算:
(1-1)
式中
——安全系数,通常1.2~2.0;
——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。
可近似按下式估
(其中a是重力方向的最大上升加速度)
,g=9.8m/s;
——运载时工件最大上升速度;;
——系统达到最高速度的时间,一般选取0.03~0.5s;
——方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择;
G——被抓取工件所受重力(N)。
计算:
设a=40mm,b=120mm,
=35°;机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹紧力
和驱动力
和驱动液压缸的尺寸。
1.设
=1.6
=102mm/s
=0.5s
=
=1.02
=0.5
根据公式,将已知条件带入:
=1.6×1.02×0.5×300=244.8N
根据驱动力公式得:
2.
=
=
244.8=986N
取
3.
=
=1160N
4.确定液压缸的直径D
(1-2)
选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=39.2
10
Pa
则D=
0.0224m
根据液压缸内径系列表(JB826-66),选取液压缸内径为:
D=32mm,根据装配关系,外径为50mm。
则活塞杆直径为:
d=32
0.5=16mm,选取d=16mm
因此,液压杆外径选50mm,活塞选16mm。
1.2阀门的选择
阀门是流体输送系统中的控制部件,具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。
1.换向阀是控制油液的通断和流动方向,控制执行元件的启动、变速、停止和换向。
由于控制方便,选择三位四通电磁换向阀,如图1.2所示。
2.溢流阀是在液压设备中主要起定压溢流作用,稳压,系统卸荷和安全保护作用,如图1.3所示。
1.3行程开关的选择
行程开关,位置开关(又称限位开关)的一种,是一种常用的小电流主令电器。
利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路,达到一定的控制目的。
通常,这类开关被用来限制机械运动的位置或行程,使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
在电气控制系统中,位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。
用于控制机械设备的行程及限位保护。
因此,行程开关选用施耐德公司XCRA15型号的行程开关。
1.4接近开关的选择
接近开关是一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。
当开关接近某一物体时,即发出控制信号。
为了提高系统的可靠性和动作执行的准确性,选择OMRON公司的E2E-X5ME2型接近开关。
它的具体参数如下:
(1)检测距离:
5mm
(2)电源电压:
DC12~24V
(3)消耗电流:
小于13mA
(4)检测物体:
磁性物体
(5)响应时间:
0.3~1ms
(6)输出方式:
NPN输出
接近开关接线图,如图1.4所示。
图1.4接近开关接线图
E2E-X5ME2型接近开关为三线的NPN输出型开关,输出三线分别为棕线、黑线、蓝线,其中在棕线和黑线之间接负载,本系统中棕线接在PLC的24V电源正极,蓝线接在输入端点上。
1.5驱动电机的选择
直流伺服电机由于存在机械换向器和电刷,降低了电机运行的可靠性,加重了维护和保养负担。
而交流异步电机虽然结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便,但调速问题一直没有得到经济合理的解决。
近十年来,由于调频等调速方法发展很快,使其调速范围和成本与宽调速直流伺服电机接近,因此,交流伺服电机以其优良的控制性能和高可靠性在数控系统中得到了越来越广泛的应用。
1.步进电机的选择
为了方便设计和维修,升降电机与水平移动电机选用同一型号,根据经验选用松下公司MinasA4系列全数字式交流伺服电机和驱动器。
电机型号:
PanasonicMDMA152P1U(其中惯量,1.5KW,200V,增量式编码器,标准型,键轴,有制动器)。
驱动器型号:
MDDDT5540。
额定转矩:
,最大转矩:
,额定转速:
,最大转速:
,电机惯量:
,脉冲数:
,分辨率:
10000,线数:
5。
2.三相异步电机的选择
=102mm/sP=39.2
10
Pad=16mm
流量:
Q=πr2×V(1-3)
液压泵的功率:
P=pQ=200w
查表可选用效率为0.8,一般电机的超载功率为25%。
所以电机功率为0.35kw。
因此,选择电机为YC8012型三相异步电机。
2控制系统的硬件设计
控制系统是搬运工件机械手的重要组成部分,它的机能就像人的神经中枢,是保证机械手在搬运过程中安全可靠实用的关键,也是提高搬运效率、延长机械手使用寿命、降低故障率的重要环节。
作为指导机械手按要求合理动作的指挥机构,它的设计是机械手设计中的核心和基础,决定了机械手的控制性能的好坏。
2.1控制系统功能
控制是机器人技术中的一个关键问题,而控制系统的性能则是机器人发展水平一个重要标志。
本课题研究的机械手的控制特点。
1.自由度少,本机械手只有三个自由度,分别由两个伺服系统和一个液压系统进行控制。
2.任务简单,本机械手的工作任务是抓紧工件,并按要求进行平面点位运动,无需进行复杂的轨迹运算、坐标变换以及矩阵函数的逆运算等。
3.变量少,数学模型简单。
只需要简单的机械自适应,无需使用前馈、补偿、解耦等复杂控制技术。
本课题控制系统主要是实现以下几个控制功能:
1.伺服控制功能。
该功能主要是指机械手的运动控制,实现机械手的位置、速度和加速度控制等。
2.液压控制功能。
该功能主要是指手部抓放的运动控制,实现手部的开合和自锁等。
3.手动控制功能。
该功能主要是操作员可以对机械手进行单步的操作控制,实现机械手的检测和故障修复功能。
4.信息交换功能。
该功能主要是指在生产线中机械手要与两个生产线或其它自动化控制系统进行信息交换、资源共享和协调工作等。
2.2控制系统硬件组成
机器人控制系统硬件结构要围绕着如何更好地实现机器人的控制功能而设计和选择。
以控制器的核心计算机的分布方式来看,机器人控制系统硬件结构大体可分为集中控制、主从控制、分级控制等三类。
本机械手主要采用集中控制方式进行控制。
在核心控制器的选择上可以有多种方案,目前在机电一体化设计中主要有三种:
单片机、工业控制计算机、可编程控制器(PLC)。
随着计算机系统的不断发展,也出现了运动控制卡和逻辑控制器等新型控制硬件。
考虑到控制功能简单、控制逻辑复杂,经过各方面分析比较,本课题采用西门子S7-200PLC作为控制器,并配有相应的控制模块,来实现整个机械手的控制功能。
2.2.1位控模块
现代可编程控制器一般都有位置控制功能,因此一般都配有位置控制模块单元,也称定位单元。
EM253位控模块是S7-200的特殊功能模块,能够产生脉冲串,用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制。
它与S7-200通过扩展的I/O总线通讯,带有八个数字输出,作为智能模块出现在I/O组态中。
位控模块能够产生移动控制所需的脉冲串,其组态存储在S7-200的V存储区中。
位控模块可提供单轴开环移动控制所需要的功能和性能,位控模块的特性如下:
1.提供高速控制从每秒12个脉冲至每秒200000个脉冲;
2.支持急停S曲线或线性的加速减速功能;
3.提供可组态的测量系统,既可以使用工程单位(如英寸或厘米)也可以使用脉冲数;
4.提供可组态的backlash补偿;
5.支持绝对、相对和手动的位控方式;
6.提供连续操作;
7.提供多达25组的移动包络Profile,每组最多可有4种速度;
8.提供4种不同的参考点寻找模式,每种模式都可对起始的寻找方向和最终的接近方向进行选择;
9.提供可拆御的现场接线端子便于安装和拆御。
2.2.2控制系统硬件结构
本文所研究的机器人为两轴运动机械手,核心控制器由PLC及I/O模块和位控模块EM253组成,升降及水平移动由两台伺服电机驱动,手部的抓放由液压缸来驱动,各类信号由控制面板和生产线输入。
伺服电机配有驱动器,通过位控模块来完成脉冲输入,液压缸的伸缩由一组继电器进行控制。
各部件的运动极限由脉冲进行限位,并配有极限行程开关作为极限保护装置。
机械手的控制系统硬件结构如图2-1所示。
图2.1控制系统硬件结构图
本系统主要由PLC主控单元、伺服驱动器、继电器、各类传感器和控制面板等组成。
主控制单元采用模块式结构,各功能模块独立封装,安装在机架和导轨上,它由PLC模块、I/O模块、两个位控模块和触摸终端组成,各模块之间通过PLC专用电缆联接,控制面板与PLC之间采用专用信号电缆联接。
2.3操作面板的设计
根据工件生产和搬运的特点和控制要求,机械手的控制按钮和指示灯分布如图2.2所示。
图中的按钮与选择器的功能大部分由数控系统来实现。
图2.2操作面板示意图
1.急停按钮
在机械手工作过程中,当出现抓取不牢、搬运不稳、下放不到位、冲击过大或运动时超过极限位置以及其它异常现象而不得不停止工作时,按下急停按钮,使所有运动停止,并保持原来状态,直至重新启动系统。
可以减少和避免事故,减少因故障引起的损失。
2.电源开关
在机械手工作前,首先要打开电源开关,给PLC、驱动器、伺服电机及照明设施供电,触摸终端由PLC进行供电,为系统启动做准备。
在机械手工作完成后,将电源开关打到“关”的状态,将PLC、驱动器、伺服电机及照明设施与电源切断,保护机械手系统的安全。
3.工作模式选择开关
当正常生产时将机械手调到自动模式,机械手会自动运行。
当机械手出现故障或者出现报警时可以将机械手调到手动模式,机械手可通过点动调整。
4.启动按钮
当系统上电且机械手处于自动模式下,按下启动按钮,机械手开始按照指令进行搬运操作。
5.试灯/报警清除按钮
当系统安装完成后,未与生产线连接前,要对系统的工作情况进行试验。
此时,要按动此按钮对所有指示灯进行检测,保证与生产线连接后的工作安全。
系统在工作过程中由于某种原因出现报警,当故障排除后,需按此按钮对报警进行清除,保证系统继续正常工作。
6.上升、下降、前进、后退、夹紧、松开按钮主要是在调试或排除故障以及其它需要进行单步操作时,对机械手进行手动操作。
7.复位按钮
当系统安装完成或故障排除后,需要将机械手返回到工作原点时,按动此按钮。
2.4PLC系统设计
根据系统分析选择用“CPU226AC/DC/继电器24输入/16继电器输出”型PLC,同时,考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求,增加10%-20%的裕量。
另配一个EM22324VDC数字组合8输入/8输出的扩展模块和两个EM253位控模块。
本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。
1.PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、总停按钮等,还包括电动机的热保护继电器输入,外接电路电磁阀的输入点,伺服驱动器的输入等。
2.PLC的输出端口包括运行指示灯、继电器、外部接口、伺服电机接口、EM253输入等。
PLC输入、输出分配表如表1所示:
表1PLC的I/O地址分配表
输入点分配
输出点分配
地址
电气元件
功能说明
地址
电气元件
功能说明
I0.0
SF1
启动按钮
Q0.0
PG1
报警灯
I0.1
SF2
伺服报警清除
Q0.1
PG2
上升指示灯
I0.2
SF3
原点复位
Q0.2
PG3
下降指示灯
I0.3
SF4-1
自动工作方式
Q0.3
PG4
前进指示灯
I0.4
SF4-2
手动工作方式
Q0.4
PG5
后退指示灯
I0.5
SF4-3
半自动工作方式
Q0.5
PG6
夹紧指示灯
I0.6
SF5
机械手上升
Q0.6
PG7
松开指示灯
I0.7
SF6
机械手下降
Q0.7
KF1
上升完成
I1.0
SF7
机械手前进
Q1.0
KF2
下降完成
I1.1
SF8
机械手后退
Q1.1
KF3
前进完成
I1.2
SF9
机械手夹紧
Q1.2
KF4
后退完成
I1.3
SF10
机械手松开
Q1.3
KF5
加紧完成
I1.4
SF11
非常停止
Q1.4
KF6
松开完成
I1.5
SF12
停止
Q1.5
KF7
伺服1电源接通
I1.6
BG1
上升极限
Q1.6
KF8
伺服2电源接通
I1.7
BG2
升降原点
Q1.7
KF9
伺服报警解除
I2.0
BG3
下降极限
Q2.0
KF10
伺服1运行
I2.1
BG4
后退极限
Q2.1
KF11
伺服2运行
I2.2
BG5
进退原点
Q2.2
KF12
伺服1停止
I2.3
BG6
前进极限
Q2.3
KF13
伺服2停止
I2.4
BG7
料架1有工件
Q2.4
KF14
夹紧工件
I2.5
BG8
料架2无工件
Q2.5
KF15
松开工件
I2.6
KF1
伺服1报警
I2.7
KF2
伺服2报警
I3.0
KF3
伺服1定位完成
I3.1
KF4
伺服2定位完成
PLC的I/O接线图,如图2.3所示。
图2.3PLC的I/O配置图
PLC的输入接口I0.0~I1.5为操作面板的输入按钮信号输入点,I1.6~I2.3为行程开关的输入信号输入点,I2.4、I2.5为两个料架上接近开关的信号输入点,I2.6、I2.7为伺服驱动器的报警输入点,I3.0、I3.1为伺服电机定位完成的信号输入点。
PLC的输出点Q0.0~Q
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