基于PLC的机械手搬运控制系统实现本科毕业设计(论文)
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单位
备注
1
工作台
470mm×860mm
9
张
2
上料检测单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
3
搬运单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
4
加工与检测单元
CPU224 DC/DC/晶体管+EM223（22路数字量输入/18路晶体管输出）
本系统使用STEP 7-Micro/WIN V4.0 编程软件，完成软件的编程，西门子S7-200完成机械手的顺序控制并由不同的气缸完成执行动作。实现S7-300与S7-200构成主-从站的网络结构，在触摸屏上显示相关的操作信息。
【关键词】 机械手；PLC；物料分拣；STEP 7-Micro/WIN V4.0。
（6）人机界面与PLC相结合[4]。
1.3.4 本设计所使用的PLC
本系统设计使用的是西门S7系列的PLC：（1）SIMATIC S7-200 PLC：CPU 224；（2）SIMATIC S7-300 PLC：CPU 313C-2DP。
1.4 机械手发展现状、趋势
1.4.1 机械手
机械手用于固定程序抓取、搬运、操作工具的操作装置，代替工人完成高危险性的工作，保证工人的安全，完成生产线的自动化，提高生产效率，主要应用于机械制造、冶金等行业。机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国工程师德尔沃最早提出机械人的概念； 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。1959年美国德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人； 1962年美国正式将机械人的使用性提出来，且制造出类似人的手臂。
（1）按PLC的结构形式，分为整体式和模块式；
（2）按PLC的功能不同，分为低档、中档、高档；
（3）按PLCI/O点数，分为小型PLC、中型PLC、大型PLC。
1.3.3 PLC的发展趋势
（1）产品的多样化；
（2）特殊功能模块的品种增加；
（3）功能扩展板趋向体积小、便宜；
（4）采用混合式结构；
（5）供应便宜和专用的人机接口；
2 系统硬件
2.1 MES网络型模块式柔性自动化生产线实训系统
产品如下图2-1：
图2-1 MES网络型模块式柔性自动化生产线实训系统
模块式柔性自动化生产线实训系统是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品，它是为职业院校、技工学校、教育培训机构等而研制的，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、自动化工程、控制工程、测控技术、计算机控制、自动控制、机械电子工程、机械设计与理论、等相关专业的教学和培训。它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计，强化了各种控制技术和工程实践能力。
1.2 MES及柔性自动化生产线
1.2.1 MES的定义
美国先进制造研究机构AMR（Advanced Manufactureing Research）将MES定义为：“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”。
1.2.2 柔性自动化生产线
柔性生产线是一种技术复杂、高度自动化的系统、它将微电子学、计算机、系统工程等技术有机结合起来，理想和圆满解决了机械制造搞自动化与高柔性化之间的矛盾[1]。柔性自动化技术是工业发展的趋势，采用柔性自动化技术，减轻了工人的劳动强度，同时提高了生产效率和产品质量，而且大大的降低了成本，这是全世界机械制造业发展的趋势。
1.3.2 PLC发展现状
目前，国内外PLC的生产厂家较多，但不具备规模性，我国还未形成PLC的制造产业。外国PLC厂家在中国设厂的局面已经形成，这对国内应用PLC是有利的．今后应给予鼓励。PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便 、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数分类：
This system uses the STEP 7-Micro/WIN V4.0 programming software, to complete the programming of the software, Siemens S7-200 to complete the sequence ofmanipulatorcontrolled by a different cylinder to complete the implementation of the action. Achieve the S7-300 and S7-200 constitute the master - slave network structure on the touch screen to display the operating information.
1.4.2 国内外机械手的现状、趋势
目前研究的重点是采用全自动化机械手进行装配。国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。目前，高端的工业机械手发展趋向于高精化，高速化，多轴化，轻量化。
2.1.2
（1）输入电源：单相三线 AC220V±10% 50Hz；
（2）工作环境：温度-10℃～40℃ 相对湿度≤85%（25℃）海拔＜4000m；
（3）装置容量：≤1.5kVA；
（4）外形尺寸：380cm× 170cm×140cm；
（5）安全保护：具有漏电压、漏电流保护，安全符合国家标准。
2.1.3 系统配置
（2）系统采用统一标准接口，具有很高的兼容和扩展性，随工业现场技术的快速发展，本系统可以紧跟现场技术升级扩展，深入地满足实训教学的需要。
（3）西门子 PLC 采用西门子 PROFIBUS-DP 网络通信，使各站之间的控制信息和状态数据能够实时相互交换，配有 10.4 英寸，256 色工业彩色触摸屏，实现工业控制。
系统由8个单元组成。分别为：上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元，控制系统可以选用西门子，进行控制，具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制。
2.1.1 产品特点
（1）系统将机械、气动、电气控制、电机传动、传感检测、PLC 以及工业网络控制技术有机进行整合，结构模块化，便于组合，可以完成各类单项技能训练和综合性项目训练。可以进行机械部件安装与调试、气动系统的安装与调试、电气控制电路的安装和 PLC 编程、机电设备安装与调试、自动控制系统安装与调试、工业网络控制系统安装与调试于一体。
This paper describes the handling of PLC-basedmanipulatorcontrol system, the overall structure of the material handling sorting unit, the implementation structure, drive and control systems analysis. Handling the sorting station to stop processing the signal, and complete material handling and sorting by magnetic sensors and electromagnetic valves control themanipulator.
1
套
9
分类单元
CPU224 DC/DC/晶体管（14路数字量输入/10路晶体管型输出）
1
套
10
主控单元
CPU313C-2DP（16路数字量输入/16路晶体管输出）
1
套
11
通信模块
EM277
8
只
12
变频器模块
西门子MM420功率≥0.37KW
1
台
西门子
13
触摸屏模块
10.4英寸TFT真彩，65K色
1.4.3 本系统设计所使用的机械手
本系统采用的是SMC公司的产品——直线导轨平行移动型气爪MHZ2-16D，采用直线导轨，高刚性，高精度；防尘，防滴构造；可选择防尘罩材料。
1.百度文库 本章小结
本章概述了设计研究目的与意义，对PLC的发展历史、现状及其发展趋势和机械手的发展现状、发展趋势进行了总结，大致了解PLC和机械手，并简单介绍本机设计所使用的PLC和机械手产品。
1.3 PLC的历史，现状和趋势
1.3.1 PLC的发展历史
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）产生于20世纪60年代末的美国，其功能一般只用于单一工序的自动控制，可以说是一种继电器控制装置的代替物。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置[2]。
摘 要
【摘要】机械手在柔性生产线中得到了广泛的应用，特别是电器制造、汽车维修、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
本文主要介绍了基于PLC的机械手搬运控制系统的实现，对物料搬运分拣单元的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析。搬运分拣站根据上一站的加工信号，并通过磁性传感器和电磁阀对机械手的控制，完成物料的搬运和分拣。
英文题目
Abstract
【ABSTRACT】Manipulator in a flexible production line with a wide range of applications, especially in the electrical manufacturing, vehicle maintenance, plastics processing, general machinery manufacturing and metal processing industries.
微处理器使PLC结构也发生了变化，大大增强了其功能。西方发达国家开始采用微处理器作为CPU之后，随着超大规模集成电路技术迅速发展，专用逻辑处理芯片出现，PLC在软硬方面都发生了巨大变化，PLC中采用的微处理器的芯片档次普遍提高。到了二十一世纪，为了在ERP、MES和PCS的体系中立足，PLC的软件、硬件甚至联网通信都在向标准化发展，以期更好地满足工业生产的需求[3]。
1
套
5
搬运分拣单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
6
变频传送单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
7
安装单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
8
安装搬运单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
随着工业科技的发展，产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新越来越快，原来的生产方式失去了竞争力。柔性和生产率是相互矛盾的，生产率高的，往往设备的产品单一，大批量生产模式；而柔性的，设备处于频繁的调整状态，无法达到高生产效率。为了实现两手抓，柔性自动化生产线系统在工业生产中诞生了。
本课题研究的柔性自动化生产线中机械手的搬运主要采用PLC控制，用S7-200作为搬运分拣操作站，根据上一站的加工完成信号和废料信号，完成废料分拣、搬运任务。
该系统由型材桌、上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元、分类单元、通信接口板、电气网孔板、按钮控制板、I/O接口板、各种传感器、警示灯、各类电磁阀和气缸等组成，完成工件上料、搬运、加工、分拣、输送、装配、分类等功能。
表2-1 系统配置
序号
名称
规格
数量
【KEYWORDS】manipulator；PLC；Material sorting；STEP 7-Micro/WIN V4.0。
1 引言
1.1
在工业生产中，随着科学技术的发展，机械设备的自动化变得很重要，在一些高危行业中，工人长时间处于高危环境中。机械手是自动化生产线中的执行机构，由于机械手的诞生，劳动力等到了解放，工作环境安全有了保障，工人的劳动强度和劳动风险也下降了，最主要的工厂的生产效率和利益显著提高，推动了工业生产机械化和自动化，因此获得日益广泛的应用。
备注
1
工作台
470mm×860mm
9
张
2
上料检测单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
3
搬运单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
4
加工与检测单元
CPU224 DC/DC/晶体管+EM223（22路数字量输入/18路晶体管输出）
本系统使用STEP 7-Micro/WIN V4.0 编程软件，完成软件的编程，西门子S7-200完成机械手的顺序控制并由不同的气缸完成执行动作。实现S7-300与S7-200构成主-从站的网络结构，在触摸屏上显示相关的操作信息。
【关键词】 机械手；PLC；物料分拣；STEP 7-Micro/WIN V4.0。
（6）人机界面与PLC相结合[4]。
1.3.4 本设计所使用的PLC
本系统设计使用的是西门S7系列的PLC：（1）SIMATIC S7-200 PLC：CPU 224；（2）SIMATIC S7-300 PLC：CPU 313C-2DP。
1.4 机械手发展现状、趋势
1.4.1 机械手
机械手用于固定程序抓取、搬运、操作工具的操作装置，代替工人完成高危险性的工作，保证工人的安全，完成生产线的自动化，提高生产效率，主要应用于机械制造、冶金等行业。机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国工程师德尔沃最早提出机械人的概念； 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。1959年美国德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人； 1962年美国正式将机械人的使用性提出来，且制造出类似人的手臂。
（1）按PLC的结构形式，分为整体式和模块式；
（2）按PLC的功能不同，分为低档、中档、高档；
（3）按PLCI/O点数，分为小型PLC、中型PLC、大型PLC。
1.3.3 PLC的发展趋势
（1）产品的多样化；
（2）特殊功能模块的品种增加；
（3）功能扩展板趋向体积小、便宜；
（4）采用混合式结构；
（5）供应便宜和专用的人机接口；
2 系统硬件
2.1 MES网络型模块式柔性自动化生产线实训系统
产品如下图2-1：
图2-1 MES网络型模块式柔性自动化生产线实训系统
模块式柔性自动化生产线实训系统是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品，它是为职业院校、技工学校、教育培训机构等而研制的，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、自动化工程、控制工程、测控技术、计算机控制、自动控制、机械电子工程、机械设计与理论、等相关专业的教学和培训。它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计，强化了各种控制技术和工程实践能力。
1.2 MES及柔性自动化生产线
1.2.1 MES的定义
美国先进制造研究机构AMR（Advanced Manufactureing Research）将MES定义为：“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”。
1.2.2 柔性自动化生产线
柔性生产线是一种技术复杂、高度自动化的系统、它将微电子学、计算机、系统工程等技术有机结合起来，理想和圆满解决了机械制造搞自动化与高柔性化之间的矛盾[1]。柔性自动化技术是工业发展的趋势，采用柔性自动化技术，减轻了工人的劳动强度，同时提高了生产效率和产品质量，而且大大的降低了成本，这是全世界机械制造业发展的趋势。
1.3.2 PLC发展现状
目前，国内外PLC的生产厂家较多，但不具备规模性，我国还未形成PLC的制造产业。外国PLC厂家在中国设厂的局面已经形成，这对国内应用PLC是有利的．今后应给予鼓励。PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便 、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数分类：
This system uses the STEP 7-Micro/WIN V4.0 programming software, to complete the programming of the software, Siemens S7-200 to complete the sequence ofmanipulatorcontrolled by a different cylinder to complete the implementation of the action. Achieve the S7-300 and S7-200 constitute the master - slave network structure on the touch screen to display the operating information.
1.4.2 国内外机械手的现状、趋势
目前研究的重点是采用全自动化机械手进行装配。国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。目前，高端的工业机械手发展趋向于高精化，高速化，多轴化，轻量化。
2.1.2
（1）输入电源：单相三线 AC220V±10% 50Hz；
（2）工作环境：温度-10℃～40℃ 相对湿度≤85%（25℃）海拔＜4000m；
（3）装置容量：≤1.5kVA；
（4）外形尺寸：380cm× 170cm×140cm；
（5）安全保护：具有漏电压、漏电流保护，安全符合国家标准。
2.1.3 系统配置
（2）系统采用统一标准接口，具有很高的兼容和扩展性，随工业现场技术的快速发展，本系统可以紧跟现场技术升级扩展，深入地满足实训教学的需要。
（3）西门子 PLC 采用西门子 PROFIBUS-DP 网络通信，使各站之间的控制信息和状态数据能够实时相互交换，配有 10.4 英寸，256 色工业彩色触摸屏，实现工业控制。
系统由8个单元组成。分别为：上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元，控制系统可以选用西门子，进行控制，具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制。
2.1.1 产品特点
（1）系统将机械、气动、电气控制、电机传动、传感检测、PLC 以及工业网络控制技术有机进行整合，结构模块化，便于组合，可以完成各类单项技能训练和综合性项目训练。可以进行机械部件安装与调试、气动系统的安装与调试、电气控制电路的安装和 PLC 编程、机电设备安装与调试、自动控制系统安装与调试、工业网络控制系统安装与调试于一体。
This paper describes the handling of PLC-basedmanipulatorcontrol system, the overall structure of the material handling sorting unit, the implementation structure, drive and control systems analysis. Handling the sorting station to stop processing the signal, and complete material handling and sorting by magnetic sensors and electromagnetic valves control themanipulator.
1
套
9
分类单元
CPU224 DC/DC/晶体管（14路数字量输入/10路晶体管型输出）
1
套
10
主控单元
CPU313C-2DP（16路数字量输入/16路晶体管输出）
1
套
11
通信模块
EM277
8
只
12
变频器模块
西门子MM420功率≥0.37KW
1
台
西门子
13
触摸屏模块
10.4英寸TFT真彩，65K色
1.4.3 本系统设计所使用的机械手
本系统采用的是SMC公司的产品——直线导轨平行移动型气爪MHZ2-16D，采用直线导轨，高刚性，高精度；防尘，防滴构造；可选择防尘罩材料。
1.百度文库 本章小结
本章概述了设计研究目的与意义，对PLC的发展历史、现状及其发展趋势和机械手的发展现状、发展趋势进行了总结，大致了解PLC和机械手，并简单介绍本机设计所使用的PLC和机械手产品。
1.3 PLC的历史，现状和趋势
1.3.1 PLC的发展历史
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）产生于20世纪60年代末的美国，其功能一般只用于单一工序的自动控制，可以说是一种继电器控制装置的代替物。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置[2]。
摘 要
【摘要】机械手在柔性生产线中得到了广泛的应用，特别是电器制造、汽车维修、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
本文主要介绍了基于PLC的机械手搬运控制系统的实现，对物料搬运分拣单元的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析。搬运分拣站根据上一站的加工信号，并通过磁性传感器和电磁阀对机械手的控制，完成物料的搬运和分拣。
英文题目
Abstract
【ABSTRACT】Manipulator in a flexible production line with a wide range of applications, especially in the electrical manufacturing, vehicle maintenance, plastics processing, general machinery manufacturing and metal processing industries.
微处理器使PLC结构也发生了变化，大大增强了其功能。西方发达国家开始采用微处理器作为CPU之后，随着超大规模集成电路技术迅速发展，专用逻辑处理芯片出现，PLC在软硬方面都发生了巨大变化，PLC中采用的微处理器的芯片档次普遍提高。到了二十一世纪，为了在ERP、MES和PCS的体系中立足，PLC的软件、硬件甚至联网通信都在向标准化发展，以期更好地满足工业生产的需求[3]。
1
套
5
搬运分拣单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
6
变频传送单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
7
安装单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
1
套
8
安装搬运单元
CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）
随着工业科技的发展，产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新越来越快，原来的生产方式失去了竞争力。柔性和生产率是相互矛盾的，生产率高的，往往设备的产品单一，大批量生产模式；而柔性的，设备处于频繁的调整状态，无法达到高生产效率。为了实现两手抓，柔性自动化生产线系统在工业生产中诞生了。
本课题研究的柔性自动化生产线中机械手的搬运主要采用PLC控制，用S7-200作为搬运分拣操作站，根据上一站的加工完成信号和废料信号，完成废料分拣、搬运任务。
该系统由型材桌、上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元、分类单元、通信接口板、电气网孔板、按钮控制板、I/O接口板、各种传感器、警示灯、各类电磁阀和气缸等组成，完成工件上料、搬运、加工、分拣、输送、装配、分类等功能。
表2-1 系统配置
序号
名称
规格
数量
【KEYWORDS】manipulator；PLC；Material sorting；STEP 7-Micro/WIN V4.0。
1 引言
1.1
在工业生产中，随着科学技术的发展，机械设备的自动化变得很重要，在一些高危行业中，工人长时间处于高危环境中。机械手是自动化生产线中的执行机构，由于机械手的诞生，劳动力等到了解放，工作环境安全有了保障，工人的劳动强度和劳动风险也下降了，最主要的工厂的生产效率和利益显著提高，推动了工业生产机械化和自动化，因此获得日益广泛的应用。