基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统设计电气自动化专业.doc

基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统设计 摘 要 码垛机器人是现代工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。随着近些年工业的迅速发展，以及人工费的增长，码垛机器人的应用更为广泛，逐渐形成了一门新型学科，被广泛应用于食品，饮料，油类加工以及钢铁等相关领域。而这些工业场所一般都具有生产任务重，环境复杂，危险系数高，人工费用高等特点，码垛机器人因为其显著的特点而受到特别重视。总之，码垛机器人是提高劳动生产率，改善工人的劳动环境，减少劳动成本和实现自动化生产的一个重要方式。工业密集型企业都非常重视它的发展。 随着新材料，新技术，新设备的发展，基于PLC系统的新型码垛机器不仅可以依据企业的需求进行定制，而且可以更好地节省电力和人力成本，为企业带来更高利润。 本课题主要研究以PLC为控制核心的新型工业码垛机器人控制系统，因此，本文主要设计基于PLC为主要控制器的控制结构。主要阐述系统的工作原理及控制过程，通过对码垛机器人的软件和硬件的设计，进行仿真研究. 该论文有图43幅，表3个，参考文献22篇。 关键词：码垛机器人 PLC 控制系统 MCGS Control system of stacking robots based on PLC Abstract The stacking robot is one of the most frequently encountered control objects in the modern industrial automation space.With the rapid development of industry in recent years, as well as the growth of labor, stacking robots are more widely used,and it gradually formed a new discipline,it is widely used in food, beverage, oil processing and steel.And these industrial sites typically having the production task are heavy ,complicated environment,high risk,high labor cost etc, stacking robot under special attention because of its remarkable characteristic.In a word,the robot is an important way to improve worker’s labor environment , reduce labor costs and achieve automation production. As new materials, new technology, the development of new equipment, new industrial stacking robot which based on PLC system not only can be customized according to the needs of the enterprises, but also can save electricity and labor costs, lead to higher profits for the enterprise. This paper mainly studies the control system of the new industrial stacking robot,which is controlled by PLC,so this article mainly designs the control structure based on PLC as the main controller.The working principle and control process of the system are mainly described, and the design of the software and hardware of the pallet robot are simulated. Key Words:stacking robot PLC control system MCGS 目 录 摘要 I Abstract II 目录 III 图清单 V 表清单 VI 1 绪论 1 1.1 课题研究的意义 1 1.2 国内外现状 3 1.3 本文主要研究内容 3 1.4 本章小结 4 2 码垛机器人机械结构分析 5 2.1 码垛机器人常见结构形式 5 2.2 机械结构分析 5 2.3 工作参数设定 7 2.4 本章小结 8 3 码垛机器人硬件选型 9 3.1 驱动方式选择 9 3.2 步进电机的选型 10 3.3 直流伺服电机的选型 11 3.4 PLC的选择 12 3.5 PLC和上位机的通信连接 13 3.6 本章小结 14 4 PLC梯形图仿真和MCGS组态 15 4.1 动作控制要求 15 4.2 PLC的I/0口分配表 17 4.3 三菱GX works2梯形图仿真 17 4.4 MCGS组态监控 25 4.5 本章小结 29 5 结论 30 参考文献 31 致谢 32 附录 33 图清单 图序号 图名称 页码 图1-1 ABB码垛机器人 2 图1-2 Fuji码垛机器人 2 图1-3 KUKA码垛机器人 2 图2-1 码垛机器人的结构简图 6 图2-2 新型工业码垛机器人的机械结构示意图 6 图2-3 码垛机器人的工作空间示意图 8 图3-1 2HSS57步进驱动器接线端子图 10 图3-2 2HSS57步进驱动器和PLC连接图 11 图3-3 RMDS-302伺服驱动器引脚接线图 11 图3-4 RMDS-302伺服驱动器和PLC连接图 12 图3-5 控制系统框图 12 图4-1 PLC的外部接线图 15 图4-2 新型工业码垛机器人的工作流程图 16 图4-3 PLC模拟仿真按钮图 17 图4-4 PLC模拟仿真结果 18 图4-5 左右正转标志位梯形图 19 图4-6 左右反转标志位梯形图 19 图4-7 左右低速信号标志位梯形图 19 图4-8 手动前进减速标志位梯形图 20 图4-9 自动前进减速标志位梯形图 20 图4-10 手动后退减速标志位梯形图 20 图4-11 自动后退减速标志位梯形图 21 图4-12 上下正转信号标志位梯形图 21 图4-13 上下正转信号标志位梯形图 22 图4-14 上下低速信号标志位梯形图 22 图4-15 手动上升减速标志位梯形图 22 图4-16 手动上升减速标志位梯形图 23 图4-17 手动下降减速标志位梯形图 23 图4-18 自动下降减速标志位梯形图 23 图4-19 上下正转信号标志位梯形图 23 图4-20 基座正转信号标志位梯形图 24 图4-21 基座正转信号标志位梯形图 24 图4-22 基座低速信号标志位梯形图 25 图4-23 传送带电机标志位梯形图 25 图4-24 吸盘电磁阀标志位梯形图 25 图4-25 MCGS设置数据对象界面 26 图4-26 MCGS具体设置变量类型 27 图4-27 新建窗口 27 图4-28 窗口属性设置 27 图4-29 对象元件库管理 28 图4-30 对象属性设置 28 图4-31 脚本语言实例 29 图4-32 组态运行界面 29 表清单 表序号 表名称 页码 表2-1 码垛机器人常见结构 5 表2-2 新型码垛机器人的四轴各部分减速比 7 表4-1 PLC的I/O口分配表 19 V 1 绪论 近些年，随着科学技术的迅速发展，机器人学慢慢进入人们的生活[1]，无论是在电气工程学，计算机学，控制工程学，教育学，仿生学，信息传感工程学，还是人工智能工程学等领域都有着许多相关学科[2]。 而随着人工成本的增加，以及越来越庞大的生产规模需要，工业机器人已经成为自动化工厂和相关集成制造系统的一种自动化工具。在这些生产自动化领域普遍使用工业机器人，不但可以极大的提升产品的质量,节约资源，而且可以保障人身安全，改善劳动者的劳动环境，劳动强度，增强劳动生产率，最主要的是，在节约原材料和降低劳动生产成本上有着特别重要的意义。 1.1 课题研究的意义 顾名思义，工业码垛机器人就是现代机械与计算机控制的产物。它的主要任务是将一个个物料通过一定的设定好的方式，堆码成垛，这样做的主要目的是实现物料的自动化存储，搬运等原先由工人完成的任务。 在工业码垛机器人没有被发明之前，这些码垛工作都是由人工完成。而虽然可以按照人们的自己思想完成码垛的任务，但是这些码垛工作往往费时费力，而且工作环境危险恶劣，工作效率极低。人工码垛主要应用在一些物料轻，尺寸不大，形状不大，吞吐量小的的场合。传统的自动码垛方法在考虑了劳动者的效率和健康问题的基础上，增加了许多符合人机工程学的措施。如提升机，简单的机械手搬运等。 近年来，作为物流自动化领域的后起之秀，码垛机器人控制系统取得了较大的发展。因为条件所限，一些自动化生产领域的物料在形状上还是质量上，都会有些不同，这就要求现有的工业码垛机器人具有混合码垛的能力。所有的这些问题及需求，都为现有的码垛机器人控制系统带来机遇和挑战。但是，无论如何，工业码垛机器人的开发要求及任务非常清晰，即柔性度要提高，抓取原料的速度要提高，机械效率要提高，成本不断下降。 但是，从整体上来说，我国的工业码垛机器人技术同欧美，日韩等一些相关国家相比还是有着很大的距离，例如，起步较晚，工业基础较弱，相关学科及从业人员较少且不配套，应用领域较窄等。归根结底，主要是因为我国的机器人控制技术的薄弱，没有形成相关产业。 我国目前尚无可用的通用型码垛机器人，绝大多数依靠进口。而目前欧美， 0 日韩的码垛机器人的市场占有率在百分之90以上，我国和其他国家还有很大的差距，这主要是因为我国机器人工业起步晚，相关从业人员少的原因。市场上主流的码垛机器人著名品牌有：瑞典的ABB公司，日本的Fuji公司，德国的KUKA公司等。 图1-1 ABB码垛机器人 图1-2 Fuji码垛机器人 图1-3 KUKA码垛机器人 ABB公司已经在展会上推出了自己的第二代新型工业码垛机器人，这款机器人无论在精度上还是承载能力上，作业区域上，都有着很好的提高。它可以最远操作3.15米远的物料，最大承载质量为250KG，可以利用传感器技术跟踪移动的箱子，不停机也可以完成码垛工作。Fuji公司的新型工业码垛机器人，其最大工作半径范围2.5米，最大承载质量300KG,最高重复定位精度±0.5mm，最快运动速度0.2m/s。而德国的KUKA公司秉承了德国严谨的制造工艺的精神，已经在全球交付了超过8万部码垛机器人