成品库与码垛机单元2

信息与电气工程学院

课程设计说明书（2015/2016学年第二学期）

课程名称：可编程序控制器课程设计

题目：成品库与码垛机单元（绝对位置）

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计周数：2周

设计成绩：

2016年06 月23 日

目录

一、摘要

二、课程设计目的

2.1主要任务

2.2主要技术指标

2.3技术要求

2.4参考器件

三、系统设计

3.1系统硬件设计

3.1.1步进电机的基本原理

3.1.2系统I/O分配表

3.1.3 PLC的选型

3.2软件设计

3.2.1系统分析

3.2.2单元电路设计

3.2.3系统调试

四、课程设计总结

五、参考文献

附录I 系统梯形图

一、摘要

自动化立体仓库成品库是专门存储工件、货物或者原材料的专用设备，是现代物流系统中不可缺少的货物存贮环节。自动化立体仓库中最重要设备就是码垛机，码垛机是实现整个仓库系统自动功能的关键设备，担负着进库等任务，是自动化立体仓库的核心部件。

本设计主要由横六竖四共计24个仓格的立体仓库和四自由度码垛机械手两部分组成。其中码垛机械手由机械传动部分和电气控制两部分组成，电气控制是由西门子S7-200 CPU224XP型可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动器、开关电源、位置传感器等器件组成。码垛机在工作时要控制速度和电机之间的配合，以免碰到设备。本实验中按照工件颜色来进行入库实验。码垛机控制系统可以实现如下控制功能：准确抓取工件、机械手在X轴和Y 轴的稳定运行、手爪的正确扩张与收紧、机械手的正常旋转、机械手正确放置工件以及报警提示等功能。

关键字：码垛机、步进电机、PLC

二、课程设计目的

2.1主要任务

1、了解原料库与码垛机单元入库的工作原理；

2、通过可编程序控制器控制码垛机，来实现不同颜色的工件准确放到自动化立体仓库成品库中，掌握按照工件颜色来入库的控制方法。

2.2主要技术指标

（1）、码垛机能在X轴和Y轴上稳定运行

（2）、精确定位工件位置

（3）、遇到紧急情况时，可以紧急停车

（4）、有故障或者不正确操作时，可以报警提示

（5）、成品库中无位置时，码垛机停止运行

2.3技术要求

（1）、按照动作要求编写PLC程序

（2）、按照设备形状和动作画出监控画面以及动作同步

（3）、实现力控和PLC的通信，达到画面与实际动作同步

2.4参考器件

西门子S7-200 CPU224XP型可编程控制器(PLC)、西门子PLC扩展模块EM221CN、西门子EM277通信模块、步进电机、旋转气缸、伸缩手爪、机械手、横六竖四24仓格的立体化成品库

三、系统设计

3.1系统硬件设计

3.1.1步进电机的基本原理

在本系统中，码垛机是最为关键的部分。码垛机械手的电气控制是由西门子S7-200 CPU224XP型可编程控制器(PLC)、步进电机驱动器、开关电源、位置传感器等器件组成。

步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机。步进电机是根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定长度（或角度），若不改变励磁状态，则保持一定位置而静止的电动机。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度的控制。

三相步进电机工作原理图

3.1.2系统I/O分配表

3.1.3 PLC的选型

通过I/O分配表可以计算出本系统一共有37个输入，9个输出。按照上述配置，所选I/O点不低于46个，根据实际情况，所选I/O点为50个。PLC型号选用西门子S7-200 CPU224XP 型可编程控制器。

CPU224XP集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O 点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或 38路模拟量I/O点。CPU224XP 本身的I/O口不满足要求，可以通过扩展模块来补足I/O点。扩展模块选用EM221CN，EM221CN 是数字量输入模块，最多有16个输入，可以选用两块EM221CN模块。

选用西门子EM277通信模块通过 PROFIBUS DP 的连接进行通信。

3.2软件设计

3.2.1系统分析

本设计通过脉冲来控制步进电机，S7-200每个CPU有两个PTO/PWM生成器，输出高速脉冲序列及脉宽调制波形。一个生成器指定给数字输出点Q0.0，另一生成器指定给数字输出点Q0.1。

3.2.2单元电路设计

1)、机械臂取件程序设计

初始时，机械臂处在初始位置，按下启动按钮，机械臂一轴正向运行到达限位位置时停止运行，机械臂二轴正向运行到达指定高度，一轴运行到位后机械爪松开，然后夹取工件。

图2一轴正向运行

图3二轴正向运行

图4机械爪抓取工件

2)、机械臂放件程序设计

取件完成后，一轴负向运行，二轴正向运行，旋转电磁阀动作，到达指定库位时，伸缩电磁阀和机械爪电磁阀动作，完成放件动作。

图5一轴负向运行

图6二轴正向运行

图7-10放件3)、机械臂复位程序设计

一轴与二轴负向运行，到达限位位置时停止运行。

图11一轴负向运行

图12二轴负向运行

3.2.3系统调试

接通成品库与堆垛机单元电源开关；将“联机/单机”开关置于单机位置；将西门子编程电缆（PPI）连接到成品库与堆垛机单元的PLC和计算机上，启动计算机，运行

STEP7-MicroWIN软件，打开自己编写的程序；将程序下载到PLC中，点击“确定”；按下“启动”按钮，码垛机开始运行；气动机械手伸出，手爪抓取工件；气动机械手缩回，然后顺时针旋转，使手爪与仓库垂直；根据仓库中的状态自动判断入库；红色工件放入立体仓库最下边两行，从下往上，从右往左，靠右下角入库；第一个仓格没有工件，码垛机一轴走到第一列的位置；伸出手爪，二轴下降，松开手爪放置工件到第一个仓格；气动机械手顺时针旋转回到复位完成位置；入库完成后，码垛机回到复位完成位置。

四、课程设计总结

可编程序控制器课程设计是我们大学中很重要的一门需要自己亲自动手的课程设计，通过了为期2周的课程设计使我对PLC这门课的基础知识有了更加系统的认识，对西门子S7-200CPU224和EM221等相关plc产品也学会了基本的使用方法。

在课程设计过程中，因为自己的基础知识不扎实，遇到了众多问题。比如因为缺少一个自锁而使我们组头疼了半天，极大地延缓了我们设计的进程；还有对步进电机的驱动也出现了一些问题，在苗老师、路老师、王老师和韩老师的认真指导下，我们慢慢地一步一步的完成过此次设计。在课程设计中，指导老师真的很负责很认真，电脑中缺少驱动，苗老师积极的为我们找驱动盘；路老师也在耐心的指导我们。