基于PLC的机械手.docx
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基于PLC的机械手
毕业设计(论文)
题目:
基于PLC的机械手自动分拣装置系统的设计与实现
姓名:
胡治国
学号:
0904010108
指导教师:
王丹丹(讲师)
专业:
测控技术与仪器
班级:
01班
所在学院:
电气信息学院
2013年5月
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2设计目的和意义1
1.3研究的现状及发展趋势1
1.4研究的主要内容2
第二章可编程控制器3
2.1PLC的简介3
2.2PLC的基本结构3
2.3PLC的工作原理5
2.4PLC的选择方法6
第三章系统的PLC设计9
3.1系统的控制要求9
3.2系统的总体方案10
3.3PLC选型及I/O地址分配11
3.4PLC控制系统的设计12
第四章系统的MCGS组态设计19
4.1MCGS组态的概述19
4.2系统的MCGS组态设计22
第五章MCGS与模拟设备的连接27
结论29
致谢31
参考文献33
附录35
摘要
机械手自动分拣装置是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。
该装置主要由物料的送料过程、机械手的自动控制过程和物料的传送和分拣过程组成。
送料过程是将物料送到指定位置;机械手的自动控制过程是将物料从指定位置搬运到相应的位置;传送和分拣过程是根据物料性质的不同,通过电容传感器和电感传感器的检测分拣金属和非金属,并通过了推杆推到相应的地方。
这三个过程均采用的是PLC控制,主要内容是完成对机械手控制过程的设计,能完成手动、单周期、单步和连续工作四种工作方式。
同时,通过MCGS组态软件对机械手自动分拣系统完成人际界面的设计,能够在与模拟设备连接下运行,方便用户对系统进行监视和控制。
此次设计主要实现了对机械手自动控制系统的组态设计。
关键词:
机械手;PLC;MCGS
Abstract
Manipulatorautomaticsortingdeviceakindofautomaticdevice,whichisusedintheautomaticproductionprocesswithgrabbingandmovingtheworkpiece.Thedeviceismainlycomposedofmaterialfeedingprocess,automaticcontrolofthemanipulatorandthematerialdeliveryandsortingprocess.Feedingprocesswillsentmaterialtothespecifiedlocation;Manipulatoroftheautomaticcontrolprocessistomovethematerialsfromthespecifiedlocationtothecorrespondingposition;Accordingtothepropertiesofmaterials,deliveryandsortingprocesswillsortmetallicandnon-metallicbycapacitancesensorandinductivesensordetection,andthroughthepushrodtotheappropriateplace.ThesethreeprocessareallunderPLCcontrol.Andthemaincontentistocompletethedesignofmanipulatorcontrolprocess,whichcanbedoneinfourwaysofworking,namelymanualoperation,singlecycle,singlestepandcontinuouswork.Atthesametime,theMCGSconfigurationsoftwarecancompletethehumaninterfacedesignforthemanipulatorautomaticsortingsystem.Anditcanbeconnectedtotheanalogdevices,tomonitorandcontrolsystembyusers.Thisdesignmainlyrealizedtheconfigurationdesignofthemanipulatorautomaticcontrolsystem.
Keywords:
manipulator;PLC;MCGS
第一章绪论
1.1课题背景
在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等,已经随处可见。
同时,现代生产中,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。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
尤其在需要进行物料分拣的企业,以往一直采用人工分拣的方法,致使生产效率低,生产成本高,企业的竞争能力差,用工业机械手实现物料的自动分拣已成为企业的最佳选择[1]。
1.2设计目的和意义
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种装置,是机器人的一个重要分支。
它的特点是可以通过编程来完成各种预期作业任务,在构造和性能上兼有人和机器的各种优点,尤其体现了人的智能性和适应性。
在现代生产过程中,机械手广泛应用于各种场合。
虽然相比于人类来说机械手的灵活性较差,但由于人工操作进行简单操作的劳动生产率较低,不仅生产成本较高,而且容易受其他各方面因素影响。
而机械手可以解决这些方面的问题,通过对机械手的控制来进行简单的操作,不仅能提高劳动生产率,还能降低成本,生产情况也比较稳定且能保证产品的质量,更重要的是机械手能代替人们从事危险性较高的工作,通过对机械手进行远程控制来完成一些难以完成的工作,从而实现生产过程中抓取和移动工件的自动化和高效化。
1.3研究的现状及发展趋势
随着生产的发展,功能和性能的不断改善和提高,机械手的应用领域日益扩大。
目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。
因此,国内主要是逐步扩大机械手应用范围,重点发展铸锻、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件。
在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。
将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及适于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不用的典型部件,即可组成各种不同用途的机械手。
既便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。
同时要提高精度,减少冲击,定位精确,以更好地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能地机械手,并考虑于计算机联用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。
目前主要用于机床、模锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业中,它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作,但是还不具备任何传感反馈能力,不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
为此,国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手,使其拥有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,做出相应的变更。
如位置稍有偏差时,即能更正,并自行检测。
总之,随着传感技术的发展,机械手的装配作业的能力将进一步提高。
现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系的人工操作状态。
1.4研究的主要内容
本文在对机械手自动分拣装置系统进行分析的基础上,着重剖析PLC在该系统中的软件编程控制,这关系到整个系统的成败。
并通过MCGS组态软件来完成对机械手的整个过程的设计。
最后,将MCGS与PLC设备连接进行人机界面的监测和控制。
主要的工作有以下几个方面的内容:
(1)送料系统的设计,包括执行送料过程中的主要执行机构以及PLC控制程序。
(2)传送和分拣系统的设计,包括传送和分拣过程中的主要执行机构以及PLC控制程序。
(3)机械手控制系统的设计,包括机械手搬运过程中的主要执行机构以及PLC控制程序。
控制系统是机械手的指挥系统,它按规定的要求和时序进行工作。
本机械手采用可编程控制器,PLC对机械手进行控制,主要包括对PLC的型号选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。
(4)机械手控制系统的MCGS组态设计;主要是实现良好的人机界面,方便用户较好的监测和控制系统的正常运行。
(5)MCGS与模拟设备的连接。
第二章可编程控制器
2.1PLC的简介
可编程序控制器(programmablecontroller),现在一般简称为PLC(programmablelogiccontroller),它是以微处理器为基础,综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置[2]。
以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用,成为了现代工业控制三大支柱之一。
PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。
对于相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。
PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。
近10年来,随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制,PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器,但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。
实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器,现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。
2.2PLC的基本结构
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机,其硬件结构和微机是基本一致的。
如图2.1所示为PLC硬件的基本结构图[3]。
(1)中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能,接受并存储从编程器键入的用户程序和数据,检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能检查用户程序的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映像区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务,并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映像区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕以后,最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行为止。
2.1PLC硬件的基本结构图
(2)存储器图
PLC的软件分为两部分:
系统软件和应用软件。
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
PLC存储空间的分配:
虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同,但是根据PLC的工作原理,其存储空间一般包括以下三个区域:
系统程序存储区,系统RAM存储区(包括I/O映像区和系统软设备等)和用户程序存储区。
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中,用户不能够直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。
系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备(例如:
逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)存储区。
(A)I/O映像区
由于PLC投入运行后,只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据,在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
因此,它需要有一定数量的存储单元(RAM)以供存放I/O的状态和数据,这些存储单元称作I/O映像区。
一个开关量I/O占用存储单元中的一个位(bit),一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16个bit)。
因此,整个I/O映像区可看作由开关量的I/O映像区和模拟量的I/O映像区两部分组成。
(B)系统软设备存储区
除了I/O映像区以外,系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)的存储区。
该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域,前者在PLC断电时,由内部的锂电子供电。
使这部分存储单元内的数据得以保留;后者当PLC停止运行时,将这部分存储单元内的数据全部置“零”。
用户程序存储区存放用户编制的用户程序。
不同类型的PLC其存储容量各不相同,一般来说,随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。
不过对于新型的PLC,其存储容量可根据用户的需要而改变。
(3)常用的I/O
常用的I/O分类有:
开关量,按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离;模拟量,按信号类型分,有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用I/O外,还有特殊I/O模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。
(4)PLC电源
PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。
无论是小型的PLC,还是中、大型的PLC,其电源的性能都是一样的,均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。
一般交流电压波动在正负10%(15%)之间,因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。
可编程序控制器一般使用的是220V交流电源。
其内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。
某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置(如接近开关)提供24V直流电源。
驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。
可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的,它的梯形图程序与继电器系统电路图相似,梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称,如输入、输出继电器等。
这种计算机程序实现的“软继电器”,与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。
2.3PLC的工作原理
在可编程序控制器的存储器中,设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态,它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。
可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区,它们统称为元件映像寄存器。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行,直至可编程序控制器停机,或切换到STOP工作状态。
可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
扫描周期可编程序控制器在运行工作状态时,执行一次图2.2所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期,其典型值为1~100ms[4]。
指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。
扫描周期还包括自诊断、通信等。
每次扫描过程可分为三个主要阶段。
图2.2PLC的扫描运行方式
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映像区的相应单元内。
输入采样结束后,转入用户程序行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入数据和状态发生变化I/O映像区的相应单元的数据和状态也不会改变。
所以输入如果是脉冲信号,它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的CPU总是由上而下,从左到右的顺序依次的扫描梯形图。
并对控制线路进行逻辑运算,并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
例如:
算术运算、数据处理、数据传达等。
(3)输出刷新阶段
在输出刷新阶段,CPU按照I/O映像区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路,再经输出电路驱动响应的外设。
这时才是PLC真正的输出。
2.4PLC的选择方法
1.PLC机型的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类,从应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统。
2.输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块,应考虑选用的输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合,但价格较贵,过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致。
可根据应用要求,合理选用智能型输入输出模块,以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
3.电源的选择
PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源,与国内电网电压一致。
重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源。
为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
4.存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展,存储器的价格已下降,因此,为保证应用项目的正常投运,一般要求PLC的存储器容量,按256个I/O点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时,应选择容量更大,档次更高的存储器。
。
5.经济性的考虑
选择PLC时,应考虑性能价格比。
考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加,因此,点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响,在算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比。
第三章系统的PLC设计
3.1系统的控制要求
机械手自动分拣装置是一种高速自动化生产线上的金属与非金属自动分拣设备,其方法是物料盘负责输送物料,一旦有物料进入准备状态,则启动机械手搬运机构;然后机械手快速定位到物料的正上方,下降抓取物料、提升并释放至指定位置;待物料被释放后,传送装置联动,并根据金属与非金属的特点进行分拣;机械手则迅速返回,等待下一轮分拣抓取。
整个系统的工作流程如图3.1所示,工艺流程如下所示。
(1)按启动按扭后,启动送料电机驱动放料盘旋转,物料由送料槽滑到物料提升位置,物料检测光电传感器开始检测;
(2)如果送料电机运行一定时间后,并且物料检测光电传感器仍未检测到物料,则说明送料机构已经无物料,这时要停机并报警;
(3)当物料检测光电传感器检测到有物料,将发出信号,上料单向电磁阀驱动上料,机械手臂下降,手爪抓紧物体,然后手臂手爪上升到上限位,手臂向右旋转到右限位,手臂下降至下限位,手爪放松物体,将物料放到传送带上;
(4)传送带输送物料,传感器则根据物料性质(金属和非金属),分别控制相应电磁阀使气缸动作,对物料进行分拣;
(5)最后机械手返回原位重新开始下一个流程。
图3.1机械手自动分拣装置工作流程
为了满足生产要求,机械手需要设置手动工作方式和自动工作方式,而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。
(1)手动工作方式
利用按钮对机械手每一步动作进行控制。
例如,按下“下降”按钮,机械手下降;按下“上升”按钮,机械手上升。
手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。
(2)单步工作方式
每按一次操作按钮,机械手就完成一个工作步。
例如,按一次启动按钮机械手就开始下降,下到左工位压动下限位开关自停,欲使之运行下一个工作步,必须再按一次启动按钮等。
(3)单周期工作方式
机械手在原位压左限位开关和上限位开关。
按一次启动按钮机械手开始下降,下降到左工位压动下限位开关后自停;接着机械手夹紧物料后开始上升,上升到原位压动上限位开关后自停;接着机械手开始右行直至压动右限位开关后自停;接着机械手下降,下降到右工位压动下限位开关(两个工位用一个下限位开关)后自停;接着机械手放松物料后开始上升直至压动上限位开关后自停(两个工位用一个下限位开关);接着机械手开始左行直至压动左限位开关后自停。
至此一个周期的结束,再按一次启动按钮则开始下一个周期的运行。
(4)连续工作方式
启动后机械手反复运行单周期方式中的动作过程,即周期性连续运行。
3.2系统的总体方案
根据系统的控制要求,该PLC系统的硬件部分主要是输入接口端与输出接口端的信号地址选择。
其输入接口端有运行方式选择开关信号、限位开关信号、检测信号和内指令信号,这些信号将通过输入接口电路在扫描周期存入映像寄存器,以供PLC内部的程序执行,执行后的输出信号存在另一映像寄存器,将通过输出接口输出,在输出接口端主要是电机驱动线圈、指示灯信号、推杆驱动线圈和电磁阀线圈。
其基本结构图如图3.2所示。
输入接口
PLC
输出接口
图3.2系统的基本结构图
该系统可以采用不同的PLC型号,例如西门子,三菱,欧姆龙等,综合考虑价格以及系统规模因素,选用欧姆龙系列的PLC更加合
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