基于plc的机械手堆垛机系统的设计-毕业论文五元

基于plc的机械手堆垛机系统的设计-毕业论文五元内容摘要：

化立体仓库为现代物流系统的主要设备，是一种多层存放货物的高层仓库系统。 也是 CIMS 的集成环节之一，再 FMS 和 FAS 中占有非常重要的地位。 作为一个定位控制系统，必须实现的目标如下： （ 1）能满足一般控制系统要求的自动、手动的控制功能； （ 2）能根据使用者发出的指令做出相应的动作； （ 3）能够根据实际的情况进行自动的校正。 而本文设计的智能立体仓库远没有那么复杂，主要有货架、堆垛机、自动控制装置等部分组成，有自动和手动两种操作方式。 堆垛机是可以三维运动的门框式巷道堆垛机，它由固定在小车上的门式框架、沿门 式框架上的垂直导轨作上下运动的升降台和在升降青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 8 台上作伸缩运动的货叉（机械手）等三部分组成。 货物放在升降台的货叉上能实现上下、左右及前后的运动。 根据设计要求将整个定位控制的全过程分成多个阶段：小车前进到指定的货架列的过程，将货物抬升到指定的行的过程，机械手放置或取回货物的过程，放置或取回货物之后返回的过程。 在各个阶段，对象的特性相对稳定，并且在前进和抬升货物的过程中控制方面是基本一致的。 下面对各个阶段进行简单的介绍。 ：在这个过程中，无论是自动或是手动状态，小车都是有起始点出发，经过位置的校对 ，到达预先制定的货架的列。 ：在这个过程中，货物被抬升到指定的行。 ：在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，是机械手到达预先指定的位置，然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。 ：在完成制定的操作之后，应该返回到起始的位置。 系统硬件设计方案 控制核心单元的选择 控制核心单元是整个控制系统的“大脑”，随控制形式的不同而不同，可以是继电器组成的逻辑电路，可以是可编程控制器，也可以是单片机系统。 继电器控制最早出现于 1863 年电磁继电器 发明以后，在早期的立体仓库中继电器控制形式比较常用。 继电器控制系统就是把各种继电器、接触器、开关及其触点，按照一定的逻辑关系连接在一起构成具有简单控制功能的逻辑电路。 它具有价格低廉、维护技术要求不高的优点，但功能不易扩展、布线连接不易更新、可靠性不高，该控制方式只适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。 随着电子技术的飞速发展，诞生了许多其它形式的控制元器件，很快的取代了这种早期的控制形式。 单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器，随机存储器，程序存储器，定时器和各种 I/O 接口的计算机。 单片机具有体积小、价格 低、性能强、速度快、用途广、灵活性强等优点。 最值得一提的是单片机具有强大的存储扩展能力，有能力满足不同的存储需要。 理论上也可用于堆剁机控制系统，但由于其开发周期较长、调试耗时较多、抗干扰能力较弱等原因，在立体仓库的实际控制系统中没有得到广泛的推广应用。 PLC 是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器以及存储指令，完成逻辑、青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 9 定时、计数、算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种机械和生产过程。 PLC 的功能齐全，与其他控制器相比具有自诊断、报警、监控等特有功能。 具有应用灵活、操作方便、容易维 修、稳定可靠的优点，其技术成熟，性价比高在工业控制领域以基本取代了传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制 [6]。 对以上三种主控制单元进行比较和分析， PLC 操作、维护简单，程序直观，设计周期短，电路简单的特点很适合堆剁机控制系统。 它对环境要求不高，抗干扰性强，对操作人员以及维护人员的要求也不高，安装、调试相对简单且设备数量少，因此 PLC 是定位控制单元的首选。 目前各厂家生产的立体仓库基本上都采用 PLC 来作为堆垛机控制系统的核心单元，只是在采用的品牌、型号上有些差异。 PLC 的特点 堆垛机 位置控制系统主要由 PLC 组成。 可编程序控制器（ PLC）是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。 因而对于使用者来说，变成完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，不必使用各种计算机使用的语言，而把 PLC 内部看做是有许多“软继电器”等逻辑部件组成。 可编程控制器的主要特点有： ，抗干扰能力强。 这往往是用户选择控制装置的首要条件。 PLC 生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。 目前各厂家生产的 PLC，其平均无故障时间 都大大超过了 IEC 规定的 10 万小时。 而且为了适应特殊场合的需要，有的 PLC 生产商还采用了冗余设计和差异设计 (如德国Pilz 公司的 PLC），进一步提高了可靠性。 ，应用灵活。 由于 PLC 产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。 ，易于使用。 PLC 的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。 近年来又发展了面向对象的顺序流程图语言（ Sequential Function Chart），也称功能图，使编程更简单方便。 、安装、调试方便。 PLC 中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。 又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。 设计人员只要有 PLC 就可以进行控制系统的设计并可在实验室进行模拟调试。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 10 ，维修工作量小。 PLC 有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。 PLC对其内部工作状态、通信状态、异常状态和 I/O 点的状态均有显示。 工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。 除了基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、 PID 运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。 由于具有以上特点，使得 PLC 的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有 PLC 的应用 [7]。 同样，可编程控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制 ,其开发潜力要差于单片机，通用性不好，不同厂家的可编程控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 系统软件设计方案 可编 程控制器是扫描工作方式，能同时对多个模块进行控制，在整个程序扫描时间里加上不同的输入检测信号，就可使程序按所检测信号判断进入不同的分支程序。 主程序包含有多个分支程序，这样既提高了编程的灵活性又减少了不必要的代码重复，同时也方便以后系统扩展对软件的修改。 系统对堆垛机的控制有手动和自动两种工作方式，因此程序中采用子程序设计，初始化复位，手 /自动的选择主要有主程序完成。 主要设计有如下子程序：自动子程序、手动子程序、步进电机驱动子程序等。 堆垛机的初始位置位于入库的口，升降台位于“下位置”，入库台车上有货物，小车 上无物。 按下控制面板上相应的键，堆垛机向入库口伸叉，伸叉到位即取得货物，然后小车向前运动，到达相应的列时停止，升降台开始上升，同理到达相应的层时停止，即到达货架的指定位置了，这时伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则铲叉向后缩回，然后返回准备下一次作业。 自动过程主要是这样的。 而手动有些差别，手动的前后上下运动主要是通过按动控制面板上按钮来控制小车、升降台运动的方向和到达位置的。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 11 第三章 定位控制系统的硬件设计 定位控制方式分为自动控制操作和手动控制操作。 其中自动和手动之 间互锁。 当有存取操作时， PLC 会接收和分析操作人员在控制面板按钮或上位机输入的指令，做出合理的工控安排：判断检测元件的状态，读取仓库机械驱动部分的信息；然后，将信息反馈到执行元件，实现其位置移动，完成货物的存取操作。 该系统中 PLC 主要完成对货叉位置及运行状态的检测和存取的操作。 用各种光电开关、行程开关检测位置状态，用接触器、继电器执行对拖动电机的起停控制。 对货叉（机械手）的操作就是控制横移电机（小车电机）和升降电机，使它们在不同时间实现正反转，然后再通过伸缩手臂来抓取货物。 而且升降 、横移动作和机械手的伸缩 动作必须是互锁的，即当前进或者升降动作时，机械手不能进行伸缩动作，反之亦然。 为了保证安全各控制按钮之间必须有精确的逻辑互锁和自锁。 水平方向的前后运动，有小车电机进行驱动，小车电机为 220W 的三相交流异步电动机。 堆垛机的垂直方向，有提升电机驱动升降台做升降运动，提升速度小于 5 米 /分，提升功率也是 220W 的三相交流异步电动机。 固定在升降台上的机械手可带动货物一起做伸缩运动，伸缩量为左右各 300mm，用于货物的存取操作。 同时，采用键盘来输入作业地址、作业指令，键盘按键又 0 AF 等键可以使用，可以输入作业 地址（某个仓库号）、作业指令（存、取），在输入作业地址、作业指令时操作面板可以马上显示出来，实现了简单的人机对话，保证了输入的作业地址和作业指令的准确性，提高了堆垛机运行的可靠性。 用数字和指示灯来显示各种信息，输入的数值和指令马上可以显示出来，校对容易，对错一目了然。 另外，为了更好地进行自动或手动操作，在每个仓库上加一个检测开关，这些开关均接个显示灯，用以检测某个仓库是否有物。 PLC 的选型和资源配置 根据实际的控制点数和系统需要实现的控制要求，在本设计中选用西门子的 S7200系列的 PLC 作为控制 系统。 S7200 系列 PLC 概述 S7200 系列 PLC 是德国西门子公司生产的一种超小型 PLC,超小型是指其功能具有大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 的价格一样。 可以单机运行，也可以输入 /青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 12 输出扩展。 它结构小巧，可靠性高，运行速度快，继承和发挥了它在大、中型 PLC 领域的技术优势，又极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高。 因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。 特别是S7200CPU22*系列 PLC(它是 21*系列的替代产品），由于它具有 多种功能模块和人机界面可供选择，可以很容易的组成 PLC 网络。 同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得 S722*系列 PLC 来完成控制系统的设计时更加简单，系统的集成非常方便，几乎可以完成任何功能的控制任务。 S7200 硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的 I/O输入输出，同时还可以扩展各种功能模块。 基本单元有时又称作 CPU 模块，也有的称之为主机或本机。 特包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等，使 PLC 的主要部分。 它实际上就是一个完整的控制系统，可以单独的完 成一定的控制任务。 主机 I/O 数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种 I/O 模块，所。