毕设MPS操作手机械手单元调试控制功能的设计与实现.doc

毕设MPS操作手机械手单元调试控制功能的设计与实现

35
2020年4月19日
文档仅供参考
摘要
MPS模块化生产加工教学系统是一个机电一体化的教学系统，在该系统中融合了机械技术、气动技术、电气控制技术、传感器技术、微机控制技术等技术。
本设计内容为在现有硬件条件下，针对该设备设计一套合理的生产工艺过程，经过设计PLC的控制程序对操作手单元的进行手动控制，实现可用于调试设备的手动单步运行、复位以及急停的控制功能。
关键词：MPS、PLC、操作手
目录
摘要 I
目录 II
1 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2 任务要求 1
2 MPS系统简介 2
2.1 MPS系统的基本功能 2
3 操作手单元控制功能设计 4
3.1 操作手单元结构简介 4
3.1.1 操作手单元的基本结构 4
3.1.2 操作手单元中主要传感器以及执行机构的作用 6
3.1.3 PLC的I/O分配情况 6
3.2 操作手单元的控制功能设计与实现 9
3.2.1 操作手单元的控制功能设计 9
3.2.2 程序结构设计 10
3.2.3手动单步运行控制功能实现 10
4 程序调试 23
4.1 联机调试中出现的问题 23
4.2 问题的解决方案及结果 23
5 结论 24
谢辞 25
参考文献 26

1 绪论
MPS模块化生产加工教学系统是一个机电一体化的教学系统，在该系统中融合了机械技术、气动技术、电气控制技术、传感器技术、微机控制技术等技术。
要完成课题，首先要掌握该系统，在学生了解掌握MPS设备结构的过程中，可培养学生的知识综合应用能力。
1.1课题背景及意义
MPS模块化生产加工教学系统，是一套机电一体化的教学设备，该设备由德国FESTO公司生产，结构仿真，能够反映现代工业生产的典型控制过程，非常适合于进行职业技能的培训。
MPS设备采用PLC控制，操作手单元是MPS系统中的一个单元，本课题经过对一个机电一体化的设备-操作手单元的控制系统的设计，达到锻炼学生综合运用专业技术知识的能力。学校的MPS设备中的操作手单元是一个机电一体化的系统，该设备的执行机构为气动执行机构，经过多种传感器检测执行机构的工作状态，采用PLC控制各个执行机构的动作。
该设备采用PLC控制，PLC是现代工业自动化设备中应用非常广泛的控制器，同时也广泛应用于各种控制领域中，学生在本设计中所使用的PLC是国际主流品牌的主流产品，在实际中应用十分广泛，因此，本课题能够对学生起到岗前职业技能培训的作用。
1.2 任务要求
1.总体任务
由本课题组的全体同学共同讨论确定方案，在分工合作，经过编写PLC控制程序、上机调试、修改程序等过程，实现对MPS设备的自动控制。
2.本人在课题中承担的主要任务
本人在此次毕业设计中主要负责整个MPS系统的第四个工作单元——操作手单元的手动控制设计工作。具体工作内容有：设计PLC控制程序对操作手单元进行自动控制，使其具备“调试”的控制功能，即：具备“手动单步”、“复位”、“急停”的控制功能；操作手单元的工艺流程设计、PLC控制程序的编写与调试。

2 MPS系统简介
模块化生产加工系统（MPS，Modular Production System）是由德国FESTO公司出品的教学设备。MPS体现了机电一体化技术的实际应用。MPS设备是一套开放式的设备，用户可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，最多可由9个单元组成，最少时一个单元可自成一个独立的控制系统。由多个单元组成的系统能够体现出自动生产线的控制特点。
MPS设备一般用（Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器）控制。PLC是专为工业过程控制而设计的控制设备，在工业控制领域中应用非常广泛。在本设计中采用的PLC为西门子公司生产的S7-300系列PLC，下文将会进行重点介绍。
MPS模块化生产加工系统是由供料单元、检测单元、加工单元、操作手单元、成品分装单元等五个生产单元组合而成的。多单元组成的MPS系统结构图见图1-1所示。

图2-1 多单元组成的MPS系统结构图

2.1 MPS系统的基本功能
MPS设备给学习者提供了一个半开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，可是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS作为一条自动生产流水线具有怎样的操作运行模式等，学习者都可根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。
但MPS设备的每个单元都具有最基本的功能，学习者只能在这些基本功能的基础上进行设计与发挥。
各个单元的基本功能如下。
1.供料单元
按照需要将放置在料仓中的待加工工件（毛坯料）自动地取出并将其传送到第二个单元——检测单元。
2.检测单元
将供料单元送来的待加工工件进行颜色及材质的识别，并进行高度检测，将符合要求的工件经过上滑槽分流到下一个单元——加工单元；将不符合的工件从下滑槽剔除。
3.加工单元
将检测单元传送过来的待加工工件进行模拟钻孔加工，并能够对加工结果进行检测。
4.操作手单元
将加工单元加工后的工件从加工单元取走，取出的工件能够有两个流向：对符合要求的工件，送往下一个单元——分拣单元；对不符合要求的工件，则放到本单元的滑槽中剔除。
5.分拣单元
能够将上一单元传送过来的工件按颜色或材质的不同，分别从不同的滑槽分流。
3 操作手单元控制功能设计
3.1 操作手单元结构简介

3.1.1 操作手单元的基本结构
操作手单元主要由提取模块、气源处理组件、CP阀组、真空压力发生器、真空检测传感器、I/O接线端口、滑槽模块等组成。
①提取模块
提取模块如图2-2所示。该模块实际上是一个“气动机械手”，它主要由两个直线气缸（提取气缸和摆臂气缸）、一个转动气缸及支架等组成。

提取气缸安装在摆臂气缸的气缸杆的前端，用于实现垂直方向的运动，以便于提取工件。该气缸在结构上不同于一般的直线气缸，其气缸杆为空心结构，兼做气路使用；活塞位于气缸杆的中间，以便于使气缸杆的两端都能露在缸体的外面。在气缸杆的上端安装着导气管，在气缸杆的下端安装着吸嘴，经过吸嘴提取工件。在提取气缸的两个极限位置分别安装有磁感应式接近开关，用于判断气缸的动作是否到位（极限位置）。
摆臂气缸构成气动机械手的“手臂”，能够实现水平方向的伸出、缩回动作，在气缸的两个极限位置分别安装有磁感应式接近开关，用于判断气缸的动作是否到位（极限位置）。摆臂气缸安装在转动气缸的输出转轴上。
转动气缸用于实现摆臂气缸的转动，其转角为180°。在气缸的两个极限位置分别安装有磁感应式接近开关，用于判断气缸的动作是否到位（极限位置）。该转动气缸的结构不同于供料单元中的转动气缸，其结构如图2-3所示。
②滑槽模块
滑槽模块如图2-4所示。滑槽模块用于存放加工单元钻孔不合格的工件。
③CP阀组
本单元的CP阀组由4个电磁阀组成，其中3个位带手控开关的双侧电磁先导控制阀，另一个为带手控开关的单侧电磁先导控制阀。

3.1.2 操作手单元中主要传感器以及执行机构的作用
1.在机架上有两个磁感应式接近开关，用于标识摆臂的两个极限位置。
2.在摆臂上有两个磁感应式接近开关，用于标识伸缩缸的两个极限位置。
3.在提取缸的两个极限位置上装有两个磁感应式接近开关，用于检测提取缸运动的极限位置。
4.真空压力检测传感器，用于检验真空吸盘是否吸到工件。
5.吸盘内腔的负压（真空）是靠真空发生器产生的，而真空发生器的基本工作原理是引原理。
3.1.3 PLC的I/O分配情况
1.PLC与本单元控制按钮之间的I/O接口情况
PLC与本单元控制按钮之间的I/O接口情况见表3-1。
表3-1 PLC与本单元控制按钮间的I/O接口情况
序号
地址
设备符号
设备名称
设备用途
信号特征
1
I0.0
Start
手动按钮
程序单步起动
信号为1程序单步起动
2
I0.1
Reset
复位按钮
程序复位
信号为1程序复位。
3
I0.3
A/M
运行/调试转换按钮
手动、自动工作模式转换
信号为1，手动工作模式；
信号为0，自动工作模式。
2.PLC与本单元执行机构之间的I/O接口情况
PLC与本单元执行机构之间的I/O接口情况见表3-2。

表3-2 PLC与本单元执行机构间的I/O接口情况
序号
地址
设备符号
设备名称
设备用途
设备特征
1
I4.1
1B1
磁感应式接近开关
控制摆臂运动
信号为1摆臂摆到右端；
信号为0摆臂不在此位置。
2
I4.2
1B2
磁感应式接近开关
控制摆臂运动
信号为1摆臂摆到左端；
信号为0摆臂不在此位置。
3
I4.4
2B1
磁感应式接近开关
控制伸缩缸运动
信号为1伸缩缸缩回到位；
信号为0伸缩缸不在此位置。
4
I4.3
2B2
磁感应式接近开关
控制伸缩缸运动
信号为1伸缩缸伸出到位；
信号为0伸缩缸不在此位置。
5
I4.6
3B1
磁感应式接近开关
控制提取缸运动
信号为1提取缸上升到位；信号为0提取缸不在此位置。
6
I4.5
3B2
磁感应式接近开关
控制提取缸运动
信号为1提取缸下降到位；信号为0提取缸不在此位置。
7
I4.0
4B1
真空压力检测传感器
控制吸嘴工作
信号为1吸嘴吸到工件；信号为0吸嘴没吸到工件。
8
Q4.3
1Y1
控制阀电磁线圈
控制摆臂动作
信号为1，1B1动作，摆臂向右摆回。
9
Q4.4
1Y2
控制阀电磁线圈
控制摆臂动作
信号为1，1B2动作，摆臂向左摆出。
表3-2 PLC与本单元执行机构间的I/O接口情况（续）

序号
地址
设备符号
设备名称
设备用途
设备特征
10
Q4.2
2Y1
控制阀电磁线圈
控制伸缩缸动作
信号为1，2B2动作，伸缩缸伸出。
11
Q4.1
2Y2
控制阀电磁线圈
控制伸缩缸动作
信号为1，2B1动作，伸缩缸缩回。
12
Q4.7
3Y1
控制阀电磁线圈
控制提取缸动作
信号为1，3B2动作，提取缸下降；信号为0，3B1动作，提取缸上升。
13
Q4.5
4Y1
控制阀电磁线圈
控制吸嘴动作
信号为1，4B1为1，吸嘴吸工件。
14
Q4.6
4Y2
控制阀电磁线圈
控制吸嘴动作
信号为1，4B1为0，吸嘴放下工件。

3.操作手单元与相邻单元之间PLC的I/O接口具体情况
由于本次设计使用的PLC的I/O接口有限，因此不能实现各个单元同时用一台PLC进行控制。本次设计中有5个单元，分别由5台PLC对各自单元进行控制。因此本次设计中的各个单元的通讯是经过I/O接口连接起来实现通讯的。其中操作手单元与加工单元、成品分装单元的通讯信号及地址分配情况见表3-3。
表3-3 操作手单元与相邻单元间PLC的I/O接口具体情况
序号
地址
信号名称
信号特征
1
I0.1
准备信号
信号为1，加工单元准备发送工件。
2
I0.2
准备信号
信号为1，成品分装单元准备接收工件。
4
I0.5
急停信号
信号为1，加工单元发送急停信号。
5
I0.6
颜色、材质信号
见表3-4
6
I0.7
颜色、材质信号
7
I4.7
钻孔深度检测信号
加工单元发送的深度检测信号：信号为1，工件合格；信号为0，工件不合格。
8
Q0.0
准备信号
信号为1，操作手单元不从加工单元取工件。
信号为0，操作手单元准备从加工单元取工件。
9
Q0.1
颜色、材质信号
见表3-4
10
Q0.2
颜色、材质信号
11
Q0.3
准备信号
信号为1，通知成品分装单元不准备输送工件；
信号为0，通知成品分装单元准备输送工件。
表3-3 操作手单元与相邻单元间PLC的I/O接口具体情况（续）

序号
地址
信号名称
信号特征
12
Q0.5
急停信号
信号为1，向成品分装单元发送急停信号。

在通讯中，I0.6、I0.7和Q0.1、Q0.2是用于传递颜色及材质信息的，I0.6、I0.7的内容是由加工单元传送过来的，Q0.1、Q0.2的内容是向成品分装单元传送的。其信息编码情况详见表3-4。
表3-4 工件颜色、材质信息的编码情况
信号线
工件颜色及材料
金属白色工件
非金属红色工件
非金属黑色工件
I0.6
1
0
1
I0.7
0
1
1
Q0.1
1
0
1
Q0.2
0
1
1

3.2 操作手单元的控制功能设计与实现
3.2.1 操作手单元的控制功能设计
由于本设计要求在现有硬件条件下，设计PLC可用于调试设备的手动单步运行、复位以及急停的三个控制功能
1.操作手单元的主要功能
把加工好的工件从加工单元中取出，按要求将工件送到下个单元或放入本单元的滑槽中将工件清除。
2.操作手单元结构组成主要包括：气源处理组件、CP阀组、真空压力发生器、真空压力传感器、操作手、磁感应式接近开关、I/O接线端口、滑槽模块、走线槽以及铝合金板等电子器件及气动组件组成。
①气源处理组件：气源处理组件是气动控制系统中的基本组成组件。其作用为除去压缩在空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。
②操作手：由两个直线气缸、转动气缸、真空吸盘等组成。能够按照程序的控制准确的吸取工件，再将工件放到相应的位置。
③I/O接线端口：它是该工作单元与PLC间进行通讯的线路连接端口。接口为：8个输入端、8个输出端。
④传感器的分布
a、在机架上有两个磁感应式接近开关（1B1、1B2），用于标识摆臂的两个极限位置。
b、在摆臂上有两个磁感应式接近开关（2B1、2B2），用于标识伸缩缸的两个极限位置。
c、在提取缸的两个极限位置上装有两个磁感应式接近开关（3B1、3B2）如图3-1，用于检测提取缸运动的两个极限位置。
真空压力检测传感器4B1，用于检验真空吸盘是否吸到工件。
吸盘内腔的负压（真空）是靠真空发生器产生的，而真空发生器的基本工作原理是引射原理。
3.2.2 程序结构设计
根据前面所述的MPS设备的控制功能可知，本单元应该具备“手动单步循环”、“急停”以及“复位”等控制功能。为了使结构清晰，便于编写及修改，故在程序设计时采用结构化的编程方式。
这样的程序结构在STEP7的编程环境下，表现出来的结构形式是这样的：主程序写在OB1中，子程序写在FB或FC中，下面就是操作手单元控制程序结构设计方案。
OB1：主程序，用于实现在指定条件下对各个子程序的调用。
FC1：自动连续运行控制子程序，用于实现该单元的“自动连续运行”控制功能（由于本设计任务内容不包括该功能，因此将不给出该功能的控制程序）。
FC2：单步运行控制子程序，用于实现该单元的“单步调试运行”控制功能。
FC3：复位控制子程序，用于实现该单元的“复位”控制功能。
FC4：急停控制子程序，用于实现该单元的“急停”控制功能。
3.2.3手动单步运行控制功能实现
1.工艺流程设计：每按一下“手动”按钮，设备按指定顺序运行一步。工艺流程图如图3-5所示。

图3-5 工艺流程

继续下个循环

伸缩缸伸出
提取缸下降
吸工件
提取缸上升
伸缩缸缩回
摆臂摆回
若工件合格
若工件不合格

伸缩缸伸出
提取缸下降
放工件
提取缸上升
伸缩缸缩回
提取缸下降
放工件
提取缸上升
摆臂摆出
继续下个循环

2. FC2程序流程图：见图3-6 、3-6（序1）、3-6（序2）。
3.程序设计：
FC2：“手动单步运行”子程序
N1：读取深度信号
当吸工件时，判断工件是否合格，合格信号为1，不合格信号为0。

图3-6 FC2程序流程图
是否按下“手动”按钮？
是否满足初始条件？

摆臂摆出
摆臂是否摆出到位?
是否按下“手动”按钮？
是否按下“手动”按钮？
伸缩缸是否伸出到位？
提取缸下降
伸缩缸伸出
Y
Y
Y
Y
Y
Y
①
N
N
N
N
N
N
是否按下“手动”按钮？
伸缩缸是否下降到位？
提取缸是否上升到位？
是否吸到工件？
是否按下“手动”按钮？
吸工件
伸缩缸收回
提取缸上升
是否按下“手动”按钮？
Y
Y
Y
Y
Y
Y
①

②
N
N
N
N
N
N
开始

是否按下“手动”按钮？
是否按下“手动”按钮？
摆臂是否摆回到位？
伸缩缸是否伸出到位？
提取缸下降
伸缩缸伸出
摆臂摆回
是否按下“手动”按钮？
伸缩缸是否缩回到位？
Y
Y
Y
Y
Y
Y
②

③
N
N
N
N
N
N
提取缸是否下降到位？
是否按下“手动”按钮？
放工件
是否放下工件？
是否按下“手动”按钮？
Y
Y
Y
③

Y
Y
提取缸上升
提取缸是否上升到位？
是否按下“手动”按钮？
Y
N
N
N
N
N
N
④

图3-6 FC2程序流程图（序1）

④

伸缩缩回

N
伸缩缸是否缩回到位？

Y

结束

图3-6 FC2程序流程图（序2）

N2：摆臂摆出（左端）
当按下“手动”按钮时，摆臂摆出到左端。
N3：伸缩缸伸出
当按下“手动”按钮时，伸缩缸伸出，信号为1。
N4：提取缸下降
当按下“手动”按钮时，提取缸下降，信号为1。
N5：吸工件
当按下“手动”按钮时，吸工件，信号为1。
N6：提取缸上升
当按下“手动”按钮时，提取缸上升，信号为0。
N7：伸缩缸缩回
当按下“手动”按钮时，伸缩缸缩回，信号为1。
N8：摆臂摆回到右端
当按下“手动”按钮时，摆臂摆回到右端，信号为1。
N9：若深度合格，伸缩缸伸出
若工件深度合格，当按下“手动”按钮时，伸缩缸伸出，信号为1。
N10：提取缸下降
当按下“手动”按钮时，提取缸下降，信号为1。
N11：放工件
当按下“手动”按钮时，放下工件，信号为1。
N12：提取缸上升
当按下“手动”按钮时，提取缸上升，信号为0。
M42.6为上升沿检测信号。
N13：伸缩缸缩回
当按下“手动”按钮时，伸缩缸缩回，信号为1。
N14：复位伸缩缸缩回信号。
伸缩缸缩回信号为0。
N15：若深度不合格，提取缸下降
若工件深度不合格，按下“手动”按钮，提取缸下降，信号为1。
N16：放工件
当按下“手动”按钮时，放下工件，信号为1。
N17：提取缸缩回
当按下“手动”按钮时，提取缸上升，信号为0。
3.2.4 复位控制功能实现
FC3：复位控制子程序，用于实现该单元的复位控制功能。
1.工艺流程：见图3-7
2. 程序流程图：见图3-8
M41.6：复位信号； M45.6、M45.7：颜色传递信号；M42.0：设备运行的开始标志。
按下“复位”按钮后：
提取缸下降
摆臂摆回到右端

伸缩缸缩回
提取缸上升

结束
提取缸上升
放工件

图3-7 FC3工艺流程

3.程序设计：
FC3：“复位”子程序
N1：提取缸上升
当按下复位按钮时，如果提取缸没有上升到位，提取缸上升。
M41.6为复位信号，置1。
颜色传递信号M45.6、M45.7复位，信号为0。
M42.0复位，信号为0。
钻孔深度检测信号复位，信号为0。
M40.6复位，信号为0

N2：伸缩缸缩回
当M41.6置1且伸缩缸没有缩回到位时，伸缩缸缩回，信号为1。
同时把伸缩缸伸出的信号复位，信号为0。

图3-8 FC3程序流程图
①
N
是否按下RESET？
M41.6置1；M40.6复位，M45.6复位，M45.7复位。M42.0复位
钻孔合格标志复位。
M40.6复位。
提取缸是否上升到位？
提取缸上升
伸缩缸是否缩回到位？
伸缩缸缩回
摆臂是否摆到右端？
Y
Y
Y
N
N
N
①
提取缸下降
提取缸是否下降到位？
放工件
是否放下工件？
提取缸上升
提取缸是否上升到位？
Y
N
Y
Y
N
N
复位M41.6
结束
摆臂摆回到右端
Y
开始

N3：摆臂摆回到右端
当M41.6置1且摆臂没有摆到右端时，伸缩缸缩回到位后，摆臂摆回到右端，信号为1。
同时，把摆臂向左摆出的信号复位，信号为0。

N4：提取缸下降
当M41.6置1且吸到工件时，摆臂摆回到右端后，提取缸下降，信号为1。
N5：放工件
N5：当M41.6置1，提取缸下降到位后，且吸嘴吸到工件时，延时3秒放下工件，信号为1。
当M41.6置1，吸嘴吸着气，但没有吸到工件时，吸嘴断气，即把放工件信号复位，信号为0。
同时，把吸工件的信号复位，信号为0。

N6：提取缸缩回
当M41.6置1，放下工件后，提取缸上升，信号为0。
N7：复位M41.6
设备恢复到初始状态后，复位M41.6，信号为0。
3.2.5 急停控制功能的设计与实现
FC4：急停控制子程序，用于实现该单元的急停控制功能。
1.程序流程图，见图3-9所示
Q0.5：向下单元传送的急停信号
2.程序设计
N1：急停
当按下急停按钮I0.5时，输出被覆值为0，并把急停信号传给下个单元，信号为1。
N2：复位Q0.5。
当急停按钮恢复以后，Q0.5复位，信号为0。

开始

是否按下急停按钮？
N

Y

所有输出置0，Q0.5置1

是否恢复急停按钮？

N

Y

Q0.5复位为0

结束

图3-9 FC4程序流程图

4 程序调试
4.1 联机调试中出现的问题
当在操作手单元把合格工件传给成品分装单元时，工件在放下以后总是不稳，甚至从成品分装单元的工作台上掉下。程序如下：
经过分析可知：放工件之前的动作是提取缸下降，由于工件在下降的过程中有惯性，因此被放下后不稳。
4.2 问题的解决方案及结果
在“放工件”之前加一个“延时接通S5定时器”（T2），即当提取缸下降到位停1秒后，再放下工件。
结果：最终能够在传送工件的时候把工件放平稳。

5 结论
经过本设计，我组成员在指导老师的协助下成功完成了针对MPS设备，设计PLC控制程序对操作手单元的进行控制，使其具备“调试”的控制功能，即：具备“手动单步”、“复位”、“急停”的控制功能。
谢辞
这次毕业设计，对我来说很有意义。从开始的选题、开题到后来毕业设计的完成，我遇到了很多的问题，可是在刘增辉老师的指导下，我学到很多关于机械手和PLC方面的知识，感谢刘老师不厌其烦地对我进行指导经过这一次设计，也感谢她始终没有忽视我。她严谨的教学态度和工作作风也深深地激励着我向前进，刘老师不但在学业上帮助了我，也教会了我很多做人的道理。这次毕业设计能够成功地完成，不但是对我自己的肯定，也证明了老师的辛苦没有白费，在此，表示我对刘老师最衷心的谢意，谢谢老师在过去一年里对我的帮助和肯定。
我相信在若干年以后，在通往成功的道路上，尽管我依然会遇到挫折，可是我不会忘记老师的谆谆教导，我会一直在这条路上不断奋力前行！
参考文献
[1] 刘增辉，朱运利.模块化生产加工系统应用技术[M].电子工业出版社， .
[2] 刘增辉，赖英旭，赵伟.西门子S7-300PLC应用技术[M].机械工业出社, .
[3] 孙章，何宗华.城市轨道交通概论[M].中国铁道出版社, .