智能堆垛机控制系统的设计报告Word文件下载.doc
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2.2设计要求.......................................2
3系统总体设计................................2
3.1机械手控制系统结构说明.........................2
3.2堆垛机设计方案框图.............................3
4软、硬件设计................................4
4.1系统硬件设计...................................4
4.1.1系统硬件原理图及工作原理说明......................4
4.1.2气动控制系统认知..................................5
4.1.3气动控制回路分析及连接............................6
4.1.4步进电动机认知及应用..............................7
4.1.5S7-200控制系统设计................................8
4.2系统软件设计...................................9
4.2.1程序通信参数选择..................................9
4.2.2软件系统总流程图及设计思路说明....................9
5安装与调试..................................13
5.1安装调试过程...................................13
5.1.1立体存储单元结构与功能分析.............13
5.1.2立体存储单元机械及气动元件安装与调整........14
5.1.3立体存储单元气动回路分析、安装与调试........15
5.1.4步进电动机的使用..................16
5.1.5立体存储单元电气系统分析、安装与调试........24
5.1.6立体存储单元控制程序设计与调试...........27
5.2故障分析.......................................34
6结论........................................35
7使用仪器设备清单............................35
8收获、体会和建议............................36
9参考文献....................................36
10附录........................................36
附录一:
人机界面的四个界面..............................36
附录二:
各功能模块的程序注释及符号说明...................38
附录三:
I/O口符号表说明..................................45
附录四:
25个存储仓的脉冲分配表............................46
附录四:
立体存储站在柔性生产线中的位置实图................47
1引言
立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。
自上世纪60年代以来,美、日、欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多,立体仓储技术已成为一门新兴的学科。
有轨堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械,担负着出库、进库、盘库等任务,是自动化立体仓库的核心部件。
本文以西门子公司S7-200系列PLC机型为例,研究了堆垛机的定位控制系统。
关键词:
堆垛机;
立体仓库;
PLC
Abstract
Thecreationanddevelopmentofstereoscopicwarehouseistherequestofmodernlogisticssystemdevelopmentandtheresultofinformationtechniqueprogress.Fromlastcentury60'
s,moreandmorenationsandregionssuchastheUnitedStates,Japan,Europebegantodesignanddevotiontheusageofstereoscopicwarehouse,whichhavebecomeanewlyarisenacademics.Stackeristhecorepartofautomationstereoscopicwarehouse,whichcarriesonmanymainmissionsfortheautomationstereoscopicwarehouse.Thedevelopmentofautomationstereoscopicwarehousetakethestacker’sdevelopmentasit’smainmarking.Themostimportantpartofthewholewarehousesystemislanedtypeofstacker.Thereserchofit’scontrollingsystemhaswildlyapplicationforeground.ThispapertooktheexampleofSiemenscompany’sS7-200seriesPLC,itreserchedthepositioncontrolsystemoflanedtypeofstacker.
Keywords:
Lanedtypeofstacker;
Stereoscopicwarehouse;
manipulator;
PLC
2设计任务及要求
2.1设计任务(设计内容)
基于PLC控制技术设计一种堆垛机械,堆垛机械能完成三维空间的运动,人工可以操作堆垛机搬运货物,堆垛机能按设定程序自动搬运货物。
2.2设计要求(技术指标)
(1)堆垛机三维运动均可手动控制。
(2)用人机界面设计堆垛机控制面板。
(3)堆垛机的三维运动速度可调,并能指示工作速度等级。
(4)程序自动控制堆垛机搬运货物。
(5)撰写设计报告。
3系统总体设计
3.1立体仓库的电气接线分析
机械手主要用于搬动或者装卸货物的重复动作,动力来源于气压系统。
在机械手控制选用PLC,其原因安全可靠。
机械手控制分为手动单步、回原点、选格移动、单货源自动、五货源自动五大部分。
手动控制与自动控制运用转换开关进行切换,切换后按照以前步骤继续执行。
通过PLC输出驱动中间继电器或步进电机驱动器,或接通电磁阀。
立体存储单元主要组成有:
步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出装置、立体仓库、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP阀岛、气源处理装置等。
具体结构组成可参考“5.1安装调试过程”。
如图3-1所示为立体存储单元的I/O接线原理图,基本的电磁阀和传感器等的接线。
当PLC中的I/O接口被接通时,PLC上相应的端口指示灯将会亮起,转接端口上的指示灯也会亮起。
在分析立体仓库的电气的接线图时,可以接线工艺图纸,同时控制堆垛机进行所有的操作,通过观察指示灯的变化判断立体仓储的接线。
经过分析发现在本程序设计中需要知道在PLC与机床的接线中:
与I0.0相接的是X轴运动方向限位探头、与I0.1相接的是Y轴运动方向限位探头、与Q0.0相连的是X轴电机脉冲CP+端、与Q0.1相连的是Y轴电机脉冲CP+端、与Q0.2相连的是X轴步进驱动器方向DIR+端、与Q0.3相连的是X轴步进驱动器方向DIR+端、与Q0.4相连的是直线气缸电磁阀Y1。
通过对立体仓库的电气的接线图的分析,我们就可以知道在程序中:
I0.0将控制X轴的归零光电信号、I0.1将控制Y轴的归零光电信号、Q0.0将控制X轴电机的步进脉冲、Q0.1将控制Y轴电机的步进脉冲、Q0.2将控制X轴电机的步进方向、Q0.3将控制Y轴电机的步进方向、Q0.4将控制推料气缸的伸出/缩回。
图3-1立体存储单元PLCI/O接线原理图
3.2堆垛机设计方案框图
4软、硬件设计
4.1系统硬件设计
4.1.1系统硬件原理图及工作原理说明
立体存储单元用于接收前一单元送来的工件,按照预定的工件信息而自动运送至相应指定的仓位口,并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。
在典型的自动化生产线中,立体存储单元在生产流水线中作为最后一单元,模拟工业自动化生产过程中物件的分类存储功能,如图4-1所示为立体存储单元的整体结构。
立体存储单元主要由直线驱动模块、工件推料装置、立体仓库、I/O转接端口模块、电气控制板、操作面板、CP阀岛及气源处理装置等部件组成。
具体可参考“5.1.1立体存储单元结构与功能分析”。
直线驱动模块
工件推料装置
立体仓库
图4-1立体存储单元
如图4-2所示,就像自动生产线一样,智能堆垛机系统的最大特点在于它的综合性和系统性。
技术的综合性是将机械技术、气动技术、传感检测技术、电机驱动技术、PLC技术、网络通信技术以及人机界面技术等多种技术的有机结合,并综合应用到整个自动化生产线上。
技术的系统性指的是自动化生产线的传感检测、传输与处理、分析与控制、驱动与执行等部件在微处理单元的控制下协调有序地工作,并通过一定的辅助设备构成一个完整的机电一体化系统,自动地完成预定的全部生产任务。
图4-2自动化生产技术特点
4.1.2气动控制系统认知
图4-3简单的气动控制系统图4-4静音气泵
图4-3为一简单的气动控制系统构成图,该控制系统由静音气泵、气动二联件、气缸、电磁阀、检测元件和控制器等组成,能实现气缸的伸缩运动控制。
气动控制系统是以压缩空气为工作介质,在控制元件的控制和辅助元件的配合下,通过执行元件把空气的压缩能转换为机械能,从而完成气缸直线或回转运动并对外做功。
一个完整的气动控制系统基本由气压发生装置(气源装置)、执行元件、控制元件、辅助元件、检测元件以及控制器等六个部分组成,如图4-5所示。
图4-5气动控制系统基本组成
图4-3中静音气泵为压缩空气发生装置,其包括空气压缩机、压力开关、过载安全保护器、储气罐、压力表、过滤减压阀及气源开关等部件,如图4-4所示。
气泵是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及存储的一套装置,气泵的输出压力可通过其上的过滤减压阀进行调节。
4.1.3气动控制回路分析及连接
图4-6所示为图4-4气动控制系统的原理图。
从图可知,执行元件为双作用气缸,控制元件为两位五通的单电控电磁阀,气动系统借助检测及辅助元件装置,在控制器的控制下实现气缸的伸缩运动。
图4-6气动控制回路原理图
在气动控制回路中,由于电磁阀为单电控,所以电磁阀未通电时,阀工作于右位复位状态,气路走向如图4-7左图所示,此时在气压力作用下,气缸活塞左移,气缸杆缩回。
当电磁阀的电磁线圈通电时,阀工作位于左位工作状态,气路走向如图4-7右图所示,此时在气压力作用下,气缸活塞右移,气缸杆伸出。
依据图4-6气动控制系统的原理图,并结合气动回路的运行过程要求,绘制出对应的气动控制回路安装连接图,如图4-8所示。
在绘制安装连接图时,要求各元件之间的位置布局合理,管路连接无交叉,整体的效果美观。
图4-7气动控制回路运行图
图4-8气动控制回路安装连接图
依据图4-8所示气动控制回路的安装连接图,分别将气泵、过滤减压阀、电磁阀及直线气缸上的快速连接头用气管进行连接,随时检查气路的可靠牢固性。
然后接通气源,用手控旋钮进行调试,检查气缸动作情况。
4.1.4步进电动机认知及应用
步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。
根据步进电动机的工作原理,步进电动机工作时需要满足一定相序的较大电流的脉冲信号,生产装备中使用的步进电机都配备有专门的步进电机驱动装置,来直接控制与驱动步进电机的运转工作。
现在比较常用的步进电机分为永磁式(PM)、反应式(VR)和混合式(HB)三种。
如图4-9所示为各种步进电动机及驱动装置的实物图。
图4-9步进电动机及驱动装置
步进电动机受脉冲的控制,其转子的角位移量和转速与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,达到准确定位的目的,同时也可以通过控制脉冲频率控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电动机的运行特性还与其线圈绕组的相数和通电运行方式有关。
在实际应用中,首先按照步进电机和驱动器装置具体对应的电气接口关系连接好硬件线路,其次根据需要设置好驱动器装置上步距角细分选择与电流设置开关,接着控制器只需要提供一组控制步进电动机转速和方向的mW数量级功率的可调脉冲序列就可驱动电动机工作。
步进电动机由于结构简单、价格便宜、精度较高以及使用方便等优点,在计算机的数字开环控制系统中应用广泛,例如数控机床、印刷设备、打印机、自动记录仪等都有应用。
虽然步进电动机也有一些弱点,一是用得不好有可能失步,二是控制精度相对较低,而且运动中无法确定运动部件的准确位置,一般可满足对于工作精度要求不高的领域。
4.1.5S7-200控制系统设计
PLC的I/O口分配可参照图3-1立体存储单元PLCI/O接线原理图。
4.2系统软件设计
4.2.1程序通信参数选择(设置)
如图4-10,通信参数的设置必须符合PLC型号要求,并且与触摸屏的通信设置相同,以便与触摸屏通信实现人机对话。
图4-10通信参数设置
4.2.2软件系统总流程图及设计思路说明
(1)PLC部分说明:
先从机械手的部分功能开始实现,第一步通过程序将Q0.4置0或置1尝试实现机械手的伸缩。
在设计有了开端之后我就开始在pls指令中设定步进电机工作的初始速度,并通过对Q0.2或Q0.3置0或置1实现机械手手动控制步进升降和左右移动。
接着调整高速脉冲输出的脉冲数值,控制Y轴步进电机走一步8400个脉冲,X轴步进电机走一步8600个脉冲,因为我们选择的步进电机细分档次为800个脉冲转一圈,步进电机转动一圈的距离为4mm,而存储仓的宽度为42mm,高度为43mm,这样电机走一步刚好使机械臂移动一格。
为了防止工作过程发生事故,使用底部限位开关前面的金属探测器I0.0和I0.1做为第一限位点,当机械臂移至该点时就停止前进,避免了电机驱动器的电源被底部限位开关切断。
限位的方式是在手动控制中,当出现误操作触及其中一个金属探头时,控制步进电机转向的Q0.2或Q0.3将被置1,使机械臂向左或向上移回来时的位置。
部分功能实现之后将机械手升降、左右移和伸缩的程序整合到一起,实现堆垛机的机械手三维空间的运动。
之后我又给程序设置加速和减速按键,同时设置了一个速度复位键,在初始速度的基础上增加两个快速档和两个慢速档,并设置了每个速度等级的指示灯输出地址。
从而实现堆垛机的三维运动的速度的可调性,并能指示工作速度等级。
考虑到机械臂在停工的时候需要有指定的起始位置,我又编写了“机械臂复位到底线子程序”,在主程序中通过“机械臂复位按键”来调用该子程序,实现机械臂复位到左下角的起始位置。
立体存储站的存储仓是按平面二维布局的25个方格,我又编写了“移动到第1格”至“移动到第25格”的子程序,在主程序中设置“往第1格移动”至“往第25格移动”的按键。
实现手动控制之后,在系统中加入自动控制切换开关,在自动控制程序中用定时器设定了机械手伸出加紧或放置货物的时间为2秒,缩回机械手的时间为1秒。
程序编写了两种自动控制模式,“单货源搬运模式”和“五货源搬运模式”,并在自动控制程序中加入机械臂25个位置指示灯的输出地址。
最后用威纶通的触摸屏编写了相应的手动控制和自动控制的人机界面,经过不断的改善让控制面板示意清晰明了易操作。
在进行PLC控制系统软件设计之前,根据控制任务及要求,分析设计出电动机正反转控制系统的工艺流程。
具体的控制工艺流程如“智能堆垛机控制系统流程图”所示。
图4-11是电动机正反转控制工艺流程图的例子。
图4-11电动机正反转控制的工艺流程图
(2)人机界面部分说明:
人机界面如附录一,界面上的按键与PLC中设定的按键地址相同,通过示意清晰明了的控制面板对PLC程序进行控制,使得操作系统易操作。
5安装与调试
5.1安装调试过程
5.1.1立体存储单元结构与功能分析
在该典型的自动化生产线中,立体存储单元作为最后一单元,模拟工业自动化生产过程中物件的分类存储功能,如图5-1所示为立体存储单元的整体结构。
图5-1立体存储单元
直线驱动模块主要由步进电机及驱动器、滚珠丝杠机构和直线导向杆等部件组成,用于将步进电机的旋转运动转换成滚珠丝杠螺母移动块的直线往复运动,如图5-2左图所示。
立体存储单元中具有X轴方向和Y轴方向的两套直线驱动模块,它们相互呈90°
垂直安装于铝合金工作台面上,共同构成一个X-Y平面运动系统,如图5-2右图所示。
在该两套直线驱动模块装置上均设有一个工作零点,安装有电感式接近开关进行零点位置检测,用于系统位置校正和参考点设置。
同时,在丝杠机构的运动极限位置处均安装有运动行程保护开关,用来防止丝杠螺母移动块过量而产生机械性损坏。
图5-2直线驱动模块
工件推出装置由一个双作用直线气缸、推块和一个接收工件的工作平台(推块导槽)组成。
整体安装固定在Y轴丝杠螺母移动块的侧面上随着其在X-Y平面移动,主要功能是将放置在推块导槽的工件,通过直线气缸推动推块将工件推进对应存储库位内,如图5-3所示。
同样,为了保证推出装置的准确动作,其上安装有磁性开关进行限位检测。
图5-3工件推出装置图5-4立体仓库
立体仓库是一个由4行4列共16个方格组成的镂空存储铁架,每个方格之间距离分别为40mm,用于分类存放不同的工件。
立体仓库垂直安装在直线驱动模块X-Y运动平面的一侧,用于接收工件推料装置送出的工件,如图5-4所示。
立体存储单元上除了具有以上介绍的组成模块外,同样也配备有电磁阀、I/O转接端口模块、电气控制板以及操作面板等组件,他们的结构和功能都和搬运单元上的一样,在此不再详述。
5.1.2立体存储单元机械及气动元件安装与调整
立体存储单元的X-Y轴运动部分通过步进电机驱动运行,在Z轴直线气缸工作配合下完成整个立体存储运行过程。
下面进行具体的机械及气动元件安装与调整步骤介绍。
立体存储单元详细的机械及气动元件安装过程可观看教材附带光盘中视频文件。
1、在标准导轨上依次安装I/O转接端口模块、步进电机驱动器、电磁阀。
然后将导轨用螺钉固定到铝合金面板下方位置上,在面板的右上角安装气源处理装置。
2、独立进行X轴方向上的直线驱动模块安装,如图5-5(a)图所示。
首先在丝杠上依次装入丝杠固定机端、轴承、丝杠轴套,使丝杠固定块机端不动,将丝杠旋出;
其次在丝杠旋出端安装上联轴器,再套入步进电动机固定块,电动机输出转轴配合安装到联轴器另一端,并用螺钉将电动机固定块连接紧固到步进电动机上;
再将丝杠固定机端退回到紧贴电动机固定块位置,用螺杆将固定机端与电动机固定块锁紧连接,将丝杆驱动导向杆两端分别安装在丝杠两端固定块机端上,在丝杆固定块上用紧固螺钉锁紧;
最后,在两端丝杠固定块下分别安装对称的丝杠垫块用螺钉锁紧。
特别需要注意,丝杠和导向杆在安装到固定块机端时,要随时检测丝杠是否保持转动运行流畅。
3、当独立安装好X轴向直线驱动模块后,在铝合金台面的中间偏下的位置上,借助两端的丝杠垫块用螺杆和T型螺母将其水平安装到工作台面上,如图5-5(b)图所示。
安装时尽量保证丝杠的螺母滑动块行程范围左右对称。
4、Y轴方向上驱动装置独立安装方式与X轴方向的驱动装置是相同的,但它不需要安装丝杠垫块。
将直线气缸安装到推料导槽上,工件推块安装到直线气缸的活塞杆上,用螺钉锁紧工件推料导槽安装到导槽底板上,最后将其整体安装定位到Y轴丝杠装置的螺母滑动块的侧面上,如图5-5(c)图所示。
然后将Y轴方向上驱动装置垂直定位到X轴方向驱动装置的螺母滑动块上,Y轴丝杠的下固定机端与X轴丝杠的螺母滑动块之间通过螺钉锁紧连接一体。
对于X、Y轴驱动装置进行配合安装时,必须保证二者的垂直度,且必须锁紧。
5、根据X、Y轴方向驱动装置的位置,在面板上相对位置安装立体仓库,以立体仓库安装的位置不与驱动装置X-Y平面运动发生干涉为宜,如图5-5(d)所示。
但要注意,必须保证立体仓库所有的仓位位于工件推料装置能达到的范围之内。
6、根据各运动机构之间的运动空间要求,局部调整各模块的相对位置,保证各模块安装稳固,防止发生干涉,再进行加固处理。
最后,在单元设备上相应安装上气缸节流阀、磁感应式接近开关、电感式接近开关及
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