基于PLC的搬运机械手控制系统设计样本.doc

基于PLC搬运机械手控制系统设计

摘 要

随着工业自动化普及和发展，控制器需求量逐年增大，搬运机械手应用也逐渐普及，重要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域生产流水线或货品装卸调运，可以更好节约能源和提高运送设备或产品效率，以减少其她搬运方式限制和局限性，满足当代经济发展规定。
本机械手机械构造重要是曲轴在两条生产线之间搬运任务搬运机械手控制系统进行设计。采用了电气一体化设计方案，使用带自锁功能气缸实现了机械手对工件抓放和保证了在断气状态下机械手状态保持，通过伺服电机来实现机械手在水平、竖直方向迅速精准移动。采用SIEMENS公司SIMATIC S7-200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准定位控制，从硬件和软件两个方面进行设计，完毕了PLC在搬运机械手中硬件连接，I/O点分派和应用程序设计，实现了机械手上电初始化、零点复位、故障报警、手动运营、半自动运营和在无人看守时自动运营。最后达到设计规定，完毕搬运目。

核心词 搬运机械手 定位模块EM2253 控制系统 可编程PLC SIMATIC S7-200系列PLC核心控制器。

目 录
目 录 2
1引言 1
1.1 搬运机械手应用简况 1
1.2 机械手应用意义 2
2 系统设计 2
2.1 系统构造及流程 2
2.2 系统重要部件选取 4
2.2.1 气缸选取 5
2.2.2 阀门选取 6
2.2.3 行程开关选取 6
2.2.4 接近开关选取 6
2.2.5 驱动电机选取 6
3控制系统硬件设计 7
3.1 控制系统功能 7
3.2 控制系统硬件构造 8
3.2.1 位控模块 8
3.2.3 控制系统硬件构造 9
3.3 操作面板设计 9
3.4 PLC系统设计 11
3.4.1 PLCI/O分派表 11
3.4.2 PLCI/O接线图 11
3.5 运动控制系统实现 12
3.6 控制系统电路设计 17
4 系统软件设计与实现 19
4.1 系统工作方式 19
4.2 程序设计 19
4.2.1 主程序设计 19
4.2.2 初始化子程序设计 20
4.2.3 复位子程序设计 20
4.2.4 报警子程序设计 21
4.2.5 手动运营子程序设计 21
4.2.6 半自动运营子程序 22
4.2.7 自动子程序设计 23
5 结束语 25
致 谢 26
参照文献 27
附录1 系统配件清单 28
附录2 程序清单 28

1引言
1.1 搬运机械手应用简况
在当代工业中，生产过程机械化、自动化已成为突出主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不持续。专用机床是大批量生产自动化有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化重要办法。
但除切削加工自身外，尚有大量装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料简介，美国生产所有工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件如下，零件真正在机床上加工时间仅占零件生产时间5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化迫切性，工业机械手就是为实现这些工序自动化而产生。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，合用于可变换生产品种中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
国内外机械工业、铁路部门中搬运机械手重要应用于如下几方面：
（1）热加工方面应用
热加工是高温、危险笨重体力劳动，好久以来就规定实现自动化。为了提高工作效率，和保证工人人身安全，特别对于大件、少量、低速和人力所不能胜任作业就更需要采用机械手操作。
（2）冷加工方面应用
冷加工方面机械手重要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备一种构成某些。近来更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接重要于段。
（3）拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多部门之一，增进了机械手发展。当前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行持续喷漆，以改进劳动条件，提高喷漆质量和效率。
近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率重要因素。
1.2 机械手应用意义
由于工业自动化全面发展和科学技术不断提高，对工作效率提高迫在眉睫。单纯手工劳作以满足不了工业自动化规定，因而，必要运用先进设备生产自动化机械以取代人劳动，满足工业自动化需求。其中机械手是其发展过程中重要产物之一，它不但提高了劳动生产效率，还能代替人类完毕高强度、危险、重复枯燥工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛得到应用，它可用于零部件组装，加工工件搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。当前，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中一种重要构成某些。把机床设备和机械手共同构成一种柔性加工系统或柔性制造单元，可以节约庞大工件输送装置，构造紧凑，并且适应性很强。但当前国内工业机械手技术及其工程应用水平和国外比尚有一定距离，应用规模和产业化水平低，机械手研究和开发直接影响到国内机械行业自动化生产水平提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要。因而，进行机械手研究设计具备重要意义。

2系统设计
2.1 系统构造及流程
本课题研究重要是将摩托车发电机曲轴从一种自动生产线搬运到另一种自动生产线控制系统。两生产线布置和详细位置参数如图2-1所示：
图2-1 机械系统整体布局示意图
机械手重要由手部、腕部、升降部、滑动部、机座和控制箱，以及其他附件构成。其中手部为四指构造，其运动由具备自锁功能夹紧气缸完毕；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毕；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毕。PLC和有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。机械手定位采用脉冲数来控制，升降运动和滑动均有快慢速调节，调节位置也由脉冲数来控制，而速度由脉冲频率调节。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。机械手还满足在断气和掉电时可以自锁，保持当前状态。
系统上电后机械手开始初始化，初始化完毕后选取工作方式，分别为手动模式，半自动模式，自动模式。
手动模式工作下，操作员可以通过控制面板控制机械手单步运动和零点复位，可以在机械手故障时进行检修。
半自动工作方式下，只要操作员选取半自动工作方式，然后按下启动按钮，机械手一方面会零点复位，然后检查料架1有工件，机械手下降抓取工件，上升迈进，检测料架2上无工件机械手下降放下工件，返回原点，一种周期动作完毕，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、气缸等回到原位，气压表显示正常。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，升降台迅速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位2时，电机1停转；气缸伸出夹紧工件，当气缸压力到达一定限度时压力传感器得电表白工件夹紧；电机1正转，升降台先迅速上升，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，滑台迅速迈进，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，升降台迅速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位1时电机1停转；气缸缩回放开工件，压力传感器失电表白工件已松开；电机1正转，升降台上升，先迅速后慢速，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。一种工作流程结束。机械手工艺流程如图2-2所示。
2.2 系统重要部件选取
工业机器人驱动系统设计往往要受到作业环境条件限制，同步还要考虑成本因素影响以及所能达到技术水平。驱动元件是伺服系统重要构成某些，是系统执行元件，它作用是把驱动控制线路电信号转换为机械运动。整个伺服系统调速性能、动态特性、运动精度等均与驱动元件有密切关系。惯用驱动方式重要有液压驱动、电气压驱动和电－液驱动三种基本类型。
结合各种驱动类型特点和机械构造设计与传动类型选取。本机械手采用电气结合驱动方式。其中，机械手升降和平移都采用交流伺服电机驱动，手部开合采用气缸驱动。

图2-2 机械手工艺流程图
2.2.1 气缸选取
夹紧装置是使手爪开、闭动作动力装置。依照机械手部夹紧力和手部张开后指尖距离，选用FESTO公司生产两端带有终端可调缓冲装置SNU-50-100-PPV-A型双作用气缸。并配有夹紧装置和行程开关。如图2-3所示为气缸。活塞直径D＝φ50mm，活塞杆直径d＝φ16mm，行程长度L＝100mm，驱动压力p=6bar=6×105Pa。
2.2.2 阀门选取
阀门是为气缸提供，气缸配备两个一位单通阀门，为了保证在断气状态下不影响气缸内部气压，因此选用气开阀，依照经验选用SMC公司VZ110气开阀。
2.2.3 行程开关选取
行程开关选用施耐德公司XCRA15型号行程开关
2.2.4 接近开关选取
为了提高系统可靠性和动作执行精确性，选取OMRON公司E2E-X5ME2型接近开关。它详细参数如下：
（1）检测距离：5mm
（2）电源电压：DC12～24V
（3）消耗电流：不大于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2-4所示。

图2-4 接近开关接线图
E2E-X5ME2型接近开关为三线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PLC24V电源正极，蓝线接在输入端点上。
2.2.5 驱动电机选取
直流伺服电机由于存在机械换向器和电刷，减少了电机运营可靠性，加重了维护和保养承担。而交流异步电机虽然构造简朴、成本低廉、无电刷磨损、维修以便，但调速问题始终没有得到经济合理解决。近十年来，由于调频等调速办法发展不久，使其调速范畴和成本与宽调速直流伺服电机接近，因而，交流伺服电机以其优良控制性能和高可靠性在数控系统中得到了越来越广泛应用。
为了以便设计和维修，升降电机与水平移动电机选用同一型号，依照经验选用松下公司MinasA4系列全数字式交流伺服电机和驱动器。电机型号：Panasonic MDMA152P1U（其中惯量，1.5KW，200V，增量式编码器，原则型，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：，辨别率：10000，线数：5。
3控制系统硬件设计
控制系统是工业机器人重要构成某些，它机能就像人神经中枢，是保证机械手在搬运过程中安全可靠实用核心，也是提高搬运效率、延长机械手使用寿命、减少故障率重要环节。作为指引机械手按规定合理动作指挥机构，它设计是机械手设计中核心和基本，决定了机械手控制性能好坏。
3.1 控制系统功能
控制是机器人技术中一种核心问题，而控制系统性能则是机器人发展水平一种重要标志。
本课题研究机械手控制特点。
（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种气动系统进行控制。
（2）任务简朴，本机械手工作任务是抓紧工件，并按规定进行平面点位运动，无需进行复杂轨迹运算、坐标变换以及矩阵函数逆运算等。
（3）变量少，数学模型简朴。只需要简朴机械自适应，无需使用前馈、补偿、解耦等复杂控制技术。
本课题控制系统重要是实现如下几种控制功能：
（1）伺服控制功能。该功能重要是指机械手运动控制，实现机械手位置、速度和加速度控制等。
（2）气动控制功能。该功能重要是指手部抓放运动控制，实现手部开合和自锁等。
（3）手动控制功能。该功能重要是操作员可以对机械手进行单步操作控制，实现机械手检测和故障修复功能。
（4）信息互换功能。该功能重要是指在生产线中机械手要与两个生产线或其他自动化控制系统进行信息互换、资源共享和协调工作等。
3.2 控制系统硬件构造
机器人控制系统硬件构造要环绕着如何更好地实现机器人控制功能而设计和选取。以控制器核心计算机分布方式来看，机器人控制系统硬件构造大体可分为集中控制、主从控制、分级控制等三类。本机械手重要采用集中控制方式进行控制。
在核心控制器选取上可以有各种方案，当前在机电一体化设计中重要有三种：单片机、工业控制计算机、可编程控制器（PLC）。随着计算机系统不断发展，也浮现了运动控制卡和逻辑控制器等新型控制硬件。考虑到控制功能简朴、控制逻辑复杂，通过各方面分析比较，本课题采用西门子S7-200 PLC作为控制器，并配有相应控制模块，来实现整个机械手控制功能。
3.2.1 位控模块
当代可编程控制器普通均有位置控制功能，因而普通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特殊功能模块，可以产生脉冲串，用于步进电机和伺服电机速度和位置开环控制。它与S7-200通过扩展I/O总线通讯，带有八个数字输出，作为智能模块出当前I/O组态中。位控模块可以产生移动控制所需脉冲串，其组态存储在S7-200V存储区中。
位控模块可提供单轴开环移动控制所需要功能和性能，位控模块特性如下：
（1）提供高速控制从每秒12个脉冲至每秒00个脉冲；
（2）支持急停S曲线或线性加速减速功能；
（3）提供可组态测量系统，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backlash补偿；
（5）支持绝对、相对和手动位控方式；
（6）提供持续操作；
（7）提供多达25组移动包络Profile，每组最多可有4种速度；
（8）提供4种不同参照点寻找模式，每种模式都可对起始寻找方向和最后接近方向进行选取；
（9）提供可拆御现场接线端子便于安装和拆御。
3.2.3 控制系统硬件构造
本文所研究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构成，升降及水平移动由两台伺服电机驱动，手部抓放由气缸来驱动，各类信号由控制面板和生产线输入。伺服电机配有驱动器，通过位控模块来完毕脉冲输入，气缸伸缩由一组继电器进行控制。各部件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。机械手控制系统硬件构造如图3-1所示。

图3-1 控制系统硬件构造图
本系统重要由PLC主控单元、伺服驱动器、继电器、各类传感器和控制面板等构成。
主控制单元采用模块式构造，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构成，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。
3.3 操作面板设计
依照工件生产和搬运特点和控制规定，机械手控制按钮和批示灯分布如图3-2所示。图中按钮与选取器功能大某些由数控系统来实现。
（1）急停按钮
在机械手工作过程中，当浮现抓取不牢、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他异常现象而不得不断止工作时，按下急停按钮，使所有运动停止，并保持本来状态，直至重新启动系统。可以减少和避免事故，减少因故障引起损失。
（2）电源开关
在机械手工作前，一方面要打开电源开关，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。在机械手工作完毕后，将电源开关打到“关”状态，将PLC、驱动器、伺服电机及照明设施与电源切断，保护机械手系统安全。
（3）工作模式选取开关
当正常生产时将机械手调到自动模式，机械手会自动运营。当机械手浮现故障或者浮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节。
（4）启动按钮
当系统上电且机械手处在自动模式下，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
当系统安装完毕后，未与生产线连接前，要对系统工作状况进行实验。此时，要按动此按钮对所有批示灯进行检测，保证与生产线连接后工作安全。系统在工作过程中由于某种因素浮现报警，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、迈进、后退、夹紧、松开按钮重要是在调试或排除故障以及其他需要进行单步操作时，对机械手进行手动操作。
（7）复位按钮
当系统安装完毕或故障排除后，需要将机械手返回到工作原点时，按动此按钮。

图3-2 操作面板示意图
3.4 PLC系统设计
依照系统分析选取用“CPU226 AC/DC/继电器24输入/16继电器输出”型PLC，同步，考虑到I/O端分组状况以及隔离与接地规定，增长10%-20%裕量。另配一种EM223 24 VDC数字组合8输入/8输出扩展模块和两个EM253位控模块。
3.4.1 PLCI/O分派表
本控制系统PLC输入、输出点数拟定是依照控制系统设计规定和所需控制现场设备数量加以拟定。
（1）PLC输入端口涉及自动循环工作按钮、点动按钮、总停按钮等，还涉及电动机热保护继电器输入，外接电路电磁阀输入点，伺服驱动器输入等。
（2）PLC输出端口涉及运营批示灯、继电器、外部接口、伺服电机接口、EM253输入等。
PLC输入、输出分派表如表1所示。
3.4.2 PLCI/O接线图
PLCI/O接线图如图3-3所示。
PLC输入接口I0.0~I1.5为操作面板输入按钮信号输入点，I1.6~I2.3为行程开关输入信号输入点，I2.4、I2.5为两个料架上接近开关信号输入点，I2.6、I2.7为伺服驱动器报警输入点，I3.0、I3.1为伺服电机定位完毕信号输入点。PLC输出点Q0.0~Q0.6为各种灯信号输出，Q0.7~Q1.4输出给外部信号，来拟定机械手当前状态，Q1.5~Q1.7输出至伺服驱动器控制伺服电机电源通、伺服报警，Q2.0~Q2.3输出至定位模块来控制伺服电机运营停止，Q2.4、Q2.5接通至气缸控制阀控制气缸伸缩。
3.5 运动控制系统实现
西门子S7-226继电器输出型PLC数字信号通过光电耦合器隔离输入、输出，大大提高了抗干扰能力。本系统中，为了防止电源共地干扰，现场信号都通过继电器隔离输出，而操作面板上信号则直接接入PLCI/O口。
运动控制系统由伺服控制系统和PLC 及EM253运动模块构成。伺服驱动器有电源输入接口（X1），电机接口（X2），RS485接口（X3），RS232接口（X4），I/O接口（X5），旋转编码器接口（X6），外置光栅接口（X7）等7个接口。本系统中只用到了X1，X2，X5，X6等四个接口，X1、X2、X6等接口线数少，并且供应商已经做好，直接接入电机即电源相应接口中即可。而I/O接口（X5）则需要自定义。伺服驱动器X5I/O接口如图3-4所示。
EM253与原则驱动器接线图如图3-5所示。
垂直运动伺服驱动器与EM253接线图如图3-6所示，机械手升降/平移正负极限开关分别接到相应EM253LM+、LM-接口处和伺服驱动器CCWL、CWL接口，原点开关接到相应EM253RPS（参照点开关）处。伺服驱动器输入口－伺服使能（SRV-ON）、报警清除（A-CLR）和输出口－伺服报警（ALM）、定位完毕（COIN）与PLC相应接口连接。伺服驱动器中提供了两组脉冲指令输入接口，一种为差分电路专用脉冲串接口，一种为普通脉冲串指令接口，为提高信号传播可靠性，运用伺服驱动器差分电路专用脉冲串接口从EM253接出脉冲信号。

表1 PLCI/O地址分派表
输入点分派

输出点分派
地址
电气元件
功能阐明

地址
电气元件
功能阐明
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
上升批示灯
I0.2
SF3
原点复位

Q0.2
PG3
下降批示灯
I0.3
SF4-1
自动工作方式

Q0.3
PG4
迈进批示灯
I0.4
SF4-2
手动工作方式

Q0.4
PG5
后退批示灯
I0.5
SF4-3
半自动工作方式

Q0.5
PG6
夹紧批示灯
I0.6
SF5
机械手上升

Q0.6
PG7
松开批示灯
I0.7
SF6
机械手下降

Q0.7
KF1
上升完毕
I1.0
SF7
机械手迈进

Q1.0
KF2
下降完毕
I1.1
SF8
机械手后退

Q1.1
KF3
迈进完毕
I1.2
SF9
机械手夹紧

Q1.2
KF4
后退完毕
I1.3
SF10
机械手松开

Q1.3
KF5
加快完毕
I1.4
SF11
非常停止

Q1.4
KF6
松开完毕
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运营
I2.1
BG4
后退极限

Q2.1
KF11
伺服2运营
I2.2
BG5
进退原点

Q2.2
KF12
伺服1停止
I2.3
BG6
迈进极限

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定位完毕

I3.1
KF4
伺服2定位完毕

图3-3PLCI/O配备图

图3-4 伺服驱动器X5接口位置控制模式控制信号接线图

图3-5 定位模块EM253与原则驱动器接线图

图3-6 伺服驱动器与定位模块EM253接线图
3.6 控制系统电路设计
控制系统电路重要用来控制两台伺服电机、PLC、变压器以及外围设备等，控制系统电源电路接线如图3-7所示
电源电路重要给两台伺服电机，伺服驱动器和PLC控制器供电，系统采用是380V交流电输入，而伺服电机所用电压为三相220V交流电，通过变压器将电压降为220V接至伺服控制器电源输入端，再通过电源将220V三相电压转换为24V直流电给PLC模块和伺服驱动器控制系统供电。

图3-7 控制系统电源电路图

4 系统软件设计与实现
4.1 系统工作方式
该机械手工作方式有四种，分别为找原点、自动、手动和半自动。
复位操作重要用于在工作开始前或故障排除后，要将机械手各个部位移动至原位，同步也是各部件运动基准。
自动工作方式是机械手接受生产线指令，通过总控制台控制进行生产作业。控制面板上工作方式选取开关处在“自动”位时，系统处在联线状态，只接受来自自动生产线上指令信号。
手动工作方式重要是用于总控制台浮现故障、调试或其他需要手动操作。处在“手动”位时，系统处在离线状态，不接受自动生产线上信号，只接受控制面板上指令信号。处在手动状态，且各部位处在原位，各电机处在停止状态时，按下控制面板上上升、下降、迈进、后退、夹紧、松开按钮时进行相应动作，再次按下相应按钮则停止动作。此时，除急停信号外，其她输入信号无效。
半自动工作方式应用较少，重要用于故障整修时为了与主控制台分离，而还要通过自动来完毕试操作场合，因此半自动方式也是不可缺少。处在“半自动”位时，不接受自动生产线上控制信号，只接受两生产线上有无工件检测信号。处在此方式，且各部位处在原位，各电机处在停止状态时，按下控制面板上启动按钮，可进入单循环操作，此时，除急停信号和检测信号外，其她输入信号无效，一种工作循环完毕后，自动退出单循环状态。
4.2 程序设计
4.2.1 主程序设计
机械手控制程序分为主程序和6个子程序。出于可靠性考虑对于有安全规定地方使用外接继电器和开关，别的用PLC内部继电器。采用STEP 7 MicroWIN编程软件进行程序梯形图编制。依照规定设计出搬运机械手主程序框图，如图4-1所示。
本系统控制程序由主程序构成整体架构，主程序中重要设定工作状态，如找原点、自动状态、半自动状态、手动状态等。初次上电时，调用初始化子程序，完毕初始化工作。初始化完毕后，如果是初次上电或处在自动状态则机械手复位。

图4-1主程序框图
4.2.2 初始化子程序设计
初始化子程序用来完毕系统参数初始化工作，PLC初次上电时执行初始化子程序。
在系统初次上电后等待30秒开始将系统各状态位置位，清零步进脉冲，并给定位模块赋初始值。初始化子程序框图如图4-2所示。

图4-2 初始化子程序框图
4.2.3 复位子程序设计
复位子程序用来完毕机械手回答原点动作程序，当机械手处在手动状态，无论机械手处在何种工位，按下复位按钮开始调用复位子程序，机械手完毕复位动作，回到机械手原点。复位子程序框图如图4-3所示。

图4-3 系统复位子程序框图
机械手在寻找原点是调用S7-200PLC定位模块EM253回零子程序，定义机械手在寻找原点时两个伺服电机都正转，沿正方向寻找。EM253回零子程序梯形图如图4-4所示：

图4-4伺服电机运营回零子程序梯形图
4.2.4 报警子程序设计
报警子程序则用来完毕故障显示和初步诊断功能，当机械手运动超过上下左右极限、在运动过程中机械手松开则自动调用此程序。当故障解除后，按下报警解除按钮则报警消除。
4.2.5 手动运营子程序设计
手动子程序用于控制机械手与生产线断开通信后单步动作，通过控制面板上选取开关进行机械手工作方式选取，通过控制面板上按钮进行手动操作。
当控制面板处在手动状态，且各部位处在原位，各电机处在停止状态时，按下控制面板上上升、下降、迈进、后退、夹紧、松开按钮时进行相应动作，再次按下相应按钮则停止动作。此时，除急停信号外，其她输入信号无效。系统手动子程序框图如图4-5所示。

图4-5 手动运营子程序框图
机械手在运动时靠伺服电机驱动，伺服电机正反转靠伺服定位模块EM253控制，在实现机械手升降进退时调用定位模块EM253运营子程序，实现伺服已固定速度行驶固定距离。EM253运营子程序如图4-6所示：

图4-6 伺服电机运营子程序梯形图
4.2.6 半自动运营子程序
半自动子程序用来控制与生产线断开通信时单循环持续动作，通过控制面板上选取开关选取状态，通过启动按钮进行操作，当按下启动按钮后机械手一方面沿正方向寻找原点，到达原点后按照在自动工作方式下动作顺序进行工作。半自动操作在普通使用中比较少用，重要是在系统浮现故障时才会使用，系统半自动程序框图如图4-7所示。

图4-7半自动运营子程序框图
4.2.7 自动子程序设计
自动子程序（见附录）用于控制与生产线连接通信时，接受生产线上信号持续循环动作，自动子程序是机械手控制系统最为重要子程序，在正常生产中重要使用自动工作方式。当系统上电后，选取自动工作方式，按下启动按钮，系统会按照自动方式工作，机械手一方面沿正方向寻找原点，并检测料架1上与否有工件，当料架1上有工件后伺服1反转机械手下降到工位2，抓取工件并等待2秒，伺服1正转回升降原点，伺服2再反转到达迈进工位后伺服1在反转下降到工位1，放下工件等待2秒机械手回原点，在循环操作，懂得停机。系统自动子程序框图如图4-8所示：

图4-8 自动运营子程序框图

5 结束语
本文重要从机械手驱动系统、控制系统等几种方面对曲轴搬运机械手进行了进一步、详细、系统地研究。通过研究，实现了对生产线上有无工件检测，实现了机械手自动、半自动和手动操作功能，满足了减少劳动强度和提高生产效率规定。在提高整个生产线自动化水平以及柔性制造方面起到了不可代替作用。
在驱动系统设计方面，一方面对机械手进行了简朴运动分析；然后对驱动系统进行了方案研究和细致分析，完毕了重要驱动部件选型。
在控制系统设计方面。一方面对机器人控制系统进行了分析，进一步研究了控制系统硬件构造，绘制了硬件构造图；然后依照操作需要，设计了控制面板，拟定了接线方式并研究了运动控制实现办法；最后对PLC及其功能模块进行了选型，并对I/O接口进行了配备和对PLC程序、位控模块程序等进行了编制。

致 谢

本论文是在钱伟红教师亲切关怀和悉心指引下完毕，她严肃科学态度，严谨治学精神，精益求精工作作风，深深地感染和勉励着我。在此谨向钱伟红教师致以诚挚谢意和崇高敬意。我还要感谢在一起高兴度过毕业论文小组同窗们，正是由于你们协助和支持，我才干克服一种一种困难和疑惑，直至本文顺利完毕。在论文即将完毕之际，我心情无法安静，从开始进入课题到论文顺利完毕，有多少可敬师长、同窗、朋友给了我无言协助，在这里请接受我诚挚谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦父母，谢谢你们！ 最后，再次对关怀、协助我教师和同窗表达衷心地感谢。

参照文献

1.田淑珍. S7—200 PLC原理及应用.北京：机械工业出版社，.4。
2.王永华.当代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,。
3.吉顺平. 西门子PLC与工业网络技术[M]. 机械工业出版社，。
4.孙同景.PLC原理及工程应用[D]. 北京:机械工业出版社,。
5.刘轩,王丽伟.机械手PLC控制[J].机床电器,,34-49。

附录1 系统配件清单
名称
型号
数量
按钮
NADWAY WAVE-1GS
10
变压器
S11-M-100/10KV
1
电磁阀
SMC公司VZ110
2
电源
S-145-24
1
定位模块
EM253
2
断路器
施耐德NSX100N Mic2.2 40A 4P4D
3
行程开关
施耐德XCRA15
6
急停按钮
ANIUEC LA156-11ZS
1
继电器
欧姆龙G5V-1
9
接近开关
OMRON公司E2E-X5ME2
2
CPU
西门子6ES 7216--2AD23--0XB0
1
气缸
FESTO SNU-50-100-PPV-A
1
输入/出模块
EM223
1
伺服电机
Panasonic MDMA152P1U
2
伺服驱动器
MDDDT5540
2
选取开关
H30-21R 
2
批示灯
5W/24V
7

附录2 程序清单
主程序:OB1
// 启动系统
LD I0.0
ON M0.0
AN I1.4
AN I1.5
= M0.0
// 系统初始化
LD SM0.1
CALL SBR0
// 试灯
LD I0.1
= Q0.0
= Q0.1
= Q0.2
= Q0.3
= Q0.4
= Q0.5
= Q0.6
// 上电后200ms延时接通伺服电源
LD SM0.0
LPS
AN Q1.5
AN Q1.6
TON T37，2
LPP
A T37
S Q1.5，2
// 伺服电源接通后伺服报警清零输出点Q1.7产生一种300ms清零脉冲信号
LD Q1.5
A Q1.6
LPS
EU
S Q1.7，1
LRD
A Q1.7
TON T33，30
LPP
A T33
R Q1.7，1
// 伺服1位控模块0启动
LD M0.0
A M0.1
A Q2.0
AN Q2.2
= L60.0
LD I1.4
O I1.5
O Q2.2
O I1.6
O I2.0
= L63.7
LD L60.0
CALL SBR1，L63.7，M4.0，VB66，VD0，VD68，M3.0
// 伺服2位控模块0启动
LD M0.0
A M0.1
A Q2.1
AN Q2.3
= L60.0
LD I1.4
O I1.5
O Q2.3
O I2.1
O I2.3
= L63.7
LD L60.0
CALL SBR12，L63.7，M4.1，VB67，VD4，VD72，M3.1
// 调用复位子程序
LD I0.2
A I0.4
A Q1.5
A Q1.6
CALL SBR23
// 手动子程序刚开始调用时，步进脉冲数清零
LD I0.4
A M0.0
LPS
CALL SBR27
EU
R Q2.2，2
S Q2.0，2
LPP
MOVD 0，VD118
MOVD 0，VD122
MOVD 0，VD110
MOVD 0，VD114

// 半自动程序刚开始调用时，步进脉冲数清零
LD I0.5
A M0.0
LPS
CALL SBR26
EU
R Q2.2，2
S Q2.0，2
LPP
MOVD 0，VD118
MOVD 0，VD122
MOVD 0，VD110
MOVD 0，VD114
// 自动子程序
LD M0.0
A