基于西门子PLC的气动机械手分拣焊接控制系统的研制
摘要：随着当今社会，采用智能控制技术以节省人工成本已成为必然趋势，必不可少。生产过程，仓储，传输等的自动化均已基本实现。由于各厂商生产技术，所处环境，企业历史的不同，设计使用专用机床是实现批量生产，缩减成本行之有效的途径；企业生产并非一成不变，在小批量生产中，控制机床、数控机床、加工中心等自动化设备的使用极大的提高了生产效率，减少了安全事故。除了生产流水线以外，其他方便的自动化程度还有待提高。在添加原料，搬运输送成品方面尤其突出。为此，机械手的出现与使用成为了趋势。机械手通过模拟人手的手臂动作，通过智能控制技术，将机械，电气与计算机结合，实现对产品的抓取，搬运。PLC是可编程逻辑控制器，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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC与机械手的结合，使机械手得以成为一种产品。由于机械手的使用极大地提高了生产力，降低了生产成本，所以，现代社会极力推广与改善，使其获得较大的发展。
关键词：机械手; 气压传动技术; PLC;
The development of sorting and Welding Control system for Pneumatic manipulator based on Siemens S7-200
Abstract： Nowadays, it is necessary to adopt intelligent control technology to save labor cost. The automation of production process, storage, transmission and so on has been basically realized. Because of the different production technology, environment and history of each manufacturer, the design and use of special machine tool is an effective way to realize batch production and reduce cost. Enterprise production is not fixed, in small batch production, the use of control machine tools, CNC machine tools, machining centers and other automation equipment greatly improve the production efficiency and reduce safety accidents. In addition to production lines, other convenient degree of automatic on still needs to be improved. In addition to raw materials, Transportation of finished products is particularly prominent. Therefore, the emergence and use of manipulator has become a trend. The manipulator can grasp and carry the product by simulating the movement of the hand and arm, and through the intelligent control technology, combining the machine, electricity and computer. PLC is the programmable logic controller. Is an electronic device designed to operate digital operations for industrial application. It uses programmable memory to store instructions within it for logical, sequential, timing, counting and arithmetic operations, and can be input and output by digital or analog means. Control of various types of machinery The combination of PLC and manipulator enables the manipulator to become a product. Because the use of manipulator has greatly improved the production efficiency, effectively reduced the labor intensity of workers, and reduced the production cost, so that the modern society vigorously promote and improve, so that it can get great development.
Keywords: manipulator ;PLC; Pneumatic transmission technology;
一、引言
1.1课题来源及研究意义
本课题主要是由我在工厂中实践经验、结合所学知识综合演化而来。实习所在工厂主要从事小型设备加工，我在学校所学主要是PLC控制技术、机器人视觉检测技术等现代自动化技术。
现代社会，生产力极度发达，解放人类是时代的主题。生产流水线的自动化已基本实现。但在装配，运送方面自动化程度有待提高。由于各厂商生产技术，所处环境，企业历史的不同，设计使用专用机床是实现批量生产，缩减成本行之有效的途径；企业生产并非一成不变，在小批量生产中，控制机床、数控机床、加工中心等自动化设备的使用极大的提高了生产效率，减少了安全事故。部分家具工厂自动化程度达60%以上。在机械手快速发展的这几年里，机械手的应用领域更加宽广。在工业制造领域，军事领域，娱乐领域，医疗领域等都有不同程度的贡献。比如在工业领域，机械手应用于汽车制造、船舶制造及电子产品芯片的制造等。当然，在工业领域，机械手也广泛应用于焊接方面，点焊和弧焊都可以实现。同样 ，机械手可以用于实现许多其他不同的能，将手抓换上喷枪可以进行物料的涂装、将手抓换成激光刀可以实现材料的分离等等。使用机械手完成焊接，喷漆等工作，极大的提高了工作效率，完成的工作也更加细致，准确。机械手的出现，也极大的避免了工人在完成焊接，切割等工作时受到伤害的可能。更为重要的是，机械手对于劳动力的解放。这一点在机械手起搬运，包装等功能时尤为突出。在医疗方面，机械手的出现解决了许多医学难题，机械手利用计算机，探头，利用定位技术使手术可以更加精确，之前无法完成的部分眼部手术，脑部手术得以突破。跨领域的结合，使机械手的意义更大，潜力更大，是机械手的发展有了无限可能。在机械手动力方面也有了很多发展。目前的主流动力有三类。一类为油压动力。二类为气动动力。三类为电动动力。电动机械手一般采用电机驱动，速度和精确度相对较高，配套设施少但是缺点是成本较高。油压动力的特点是出力较大，成本略低于电动，但是需要配套相关设备（液压站），整套系统略显复杂。气动驱动已经逐渐成为主流。结构简单，成本低使得气动颇受欢迎，成为主流。在恶劣环境中可以正常使用运行的特性优点使气动更受欢迎。
因为气动机械手结构简单，成本低廉的特点，加之可在恶劣环境中运行的优势，气动机械手已广泛应用于各领域。近20年来，气动技术在各种自动化生产线上发挥出了更为重要的作用。将电气控制技术，计算机技术，可编程控制技术与气动技术相结合，使机械手系统，操作更加简便，也使机械手在各行业的运用中更加可靠。机械手的快速发展要求气动技术革新。为使机械手控制更为精确，微电子技术应势发展，促进了电气比例伺服技术和现代控制理论的发展。使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制。因为国内生产环境多变，许多地方生产环境恶劣，且生产制造污染大，因此大力开发研究气动脉宽调制技术。该技术结构较为简单，不复杂。据各国的行业统计资料统计，20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，气动系统安全可靠，成本减低，且可以在恶劣环境中运行，运用得当还能节能减排。气动机械手，承载了气压传动的优势，较低的损耗，较容易的维护，较简单的组成结构、相比于其他动力装置十分轻便、可以达到极高的精准度、可以稳定有序的持续运行、能够极大程度的降低排放、可以适应多重要求的变化。因为气动机械手与PLC的结合有着无可替代的优势，因此，被诸多领域行业应用，工业居多。较广泛使用的以汽车行业的气动焊接最为经典，较深层次的应用以与医学的结合——手术机器人最为经典。可以遇见气动机械手与PLC的结合拥有无限可能。
以物流搬运机械手为例，该装置是PLC技术，位置控制技术，气动技术的有机结合体。PLC的优势在该装置中十分明显。由于PLC中的内部继电器的存在，使得用于逻辑控制的中间继电器得以代替，极大的较少了噪声，提高了工作效率，使设备寿命延长，体积减小。PLC编程所用语言是梯形图语言。该语言易学易懂，极为便捷。梯形图语言是以计算机软件技术为基础，根据人们习惯使用的继电器模型，开发出的独特的编程语言。其控制符号和定义并不同于常规继电器展开图。整个装置主体由底盘，主机模块，运动机械，电气控制及一些电器电缆等部分组成。该装置的机械结构采用滚珠丝杆，滑杆，气缸等机械器件组成。电力控制模块由步进电机，交流伺服电机，驱动模块，传感器，开关电源，电磁阀等电子器件组成。该装置中所使用的气动系统，压缩空气粘度小，且不需要单独建立空气压缩站，极大的增加气动机械手的优势。一般气动驱动仅需使用空气为介质，故也减少了环境污染。气动系统在各种恶劣环境下可正常使用的特点，如
耐高温，极大拓展了气动机械手的使用范围。当然，气动驱动也有不足之处，例如，在潮湿环境下，空气中水分子较多，如此时高气度使用，则易使零部件锈蚀。具体使用何种驱动仍需具体情况具体分析。
在许多汽车制造生产企业中，气动机械手完美解决了诸多问题，成为典型应用。汽车生产极为复杂，其中，以工艺手为焊接生产线为最。车身根据程序设定的步骤移动。其移动是使用了气动机械手。利用真空吸盘将车壳吸起或放下。爪型气动机械手可以精准的夹紧或定位零部件。电焊，是决定汽车生产质量的关键因素之一。由于生产中，各部件所需时间不同和工艺的不同要求，对各方协同的要求较大，需要实现电焊机机头的快速接近，减速软着陆后的变压控制点焊，使气动机械手成为首选。气动机械手的灵活精准极为突出，有条件实现各种特殊功能。
本课题的完成对中小企业的改造升级具有参考价值，也使初学PLC相关知识者上手更快。
1.2国内外PLC技术发展与研究概况
本课题所设计的使用PLC与气动机械手结合，配合工业相机、单杆气缸实现对物料的加工、检验以及生产。 由PLC充当大脑，实现整个生产过程的控制与协调。PLC的控制功能的实现需要提前将机械设备所需要的执行步骤用特定的PLC的编程语言录入，由于PLC是一体化综合控制部件，而又需要执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，因此需要有存储设备，有记忆功能。具有录入程序、存储功能的设备我们称之为——可编程序控制器。通过数字模拟量完成信号对接，实现对生产过程的控制。PLC采用内部继电器，因而无需使用中间继电器，解决了工作噪音大，接线复杂等问题。与微机技术的结合，使得其极大的增加了灵活习性与通用性，也解决了功耗大的问题。PLC的编程是采用独有的梯形图语言，简单容易掌握，完美的解决了许多电气工作者不会或不习惯计算机编程的困难。现在许多在售的PLC都配有详细使用说明书，说明书包括接线方式，编程方式等。用户仅需要根据模板输入数据即可。
1.2.1国外PLC技术发展与现状
国外PLC起步要领先于我国许多年，最早起源于美国，随后，日本、西欧等都先后开发研制出了自己的产品。全世界总有约200家从事相关产品研发生产的厂家，其中超过160家由国外控制，比较出名的有德国西门子、日本三菱、美国通用等。各家产品都各具特点，兼容性并不大。
随着微电子技术的高速发展、超大规模的集成电路等技术的发展，PLC技术的运用领域更加广阔、深入。国外，PLC技术广泛应用于工业领域，且每年都在以一个极大的比例增加，无人智能工厂的设想正在实现。PLC与医学领域的结合，也是极具成效的，美国所研制的手术机器人初步获得成功。
1.2.2 国内PLC技术发展与现状
我国PLC技术略微薄弱，起步晚、市场环境恶劣，国内很多厂商依旧选择依靠进口其他国家品牌的PLC，这一点并不利于国内PLC方面以及相互关联的产业的发展。
我国PLC发展从最开始不能量产的位片式，再到真正可以量产使用的集成电路式PLC发展速度缓慢。本土优势主要是响应速度快、节约各种成本。通过成套引用的学习，我国在超大规模集成电路方向的发展十分强劲，缩短与其他品牌的距离。目前，国内PLC与各领域的结合使用十分广分，取得了不俗的成果。
1.3本课题的主要研究内容
本课题拟以PLC控制技术、气压传动技术、视觉检测技术为基础，设计开发基于西门子S7-200的小型生产检验筛选系统。
本课题的意义在于为中小型企业的加工生产、设备升级提供参考，帮助初学者更快的、系统的掌握PLC相关基础知识。
基于此，本课题的设计内容主要包括以下几个方面：
1.气动机械手分拣焊接控制系统的总体结构设计；
2.气动机械手分拣焊接控制系统的硬件构成；
3.气动机械手分拣焊接控制系统统的软件设计；
目 录
一、引言 4
1.1课题来源及研究意义 4
1.2国内外PLC技术发展与研究概况 6
1.2.1国外PLC技术发展与现状 6
1.2.2 国内PLC技术发展与现状 7
1.3本课题的主要研究内容 7
二、 基于PLC技术的气动机械手分拣焊接控制系统的总体结构设计 8
2.1 系统组成 8
2.2机械手分拣焊接控制系统的工作流程 8
2.3控制要求 11
2.3.1机械手结构和控制要求 11
2.3.2 传送带的结构及控制要求 11
2.3.3检测与筛选部分的结构与控制要求 12
三、硬件设计 13
3.1 PLC简介 13
3.1.1 PLC的概念 13
3.1.2 PLC的组成 14
3.1.3 PLC的特点 14
3.2机械手部分 15
3.2.1 机械手的概念 15
3.2.2 机械手的组成 15
3.2.3 输入/输出点地址分配 16
3.2.4 PLC的外部接线图: 16
3.3传送带部分 17
3.3.1传送带概念 17
3.3.2传送带的组成 17
3.3.3输入/输出点地址分配 18
3.3.4传送带的主电路接线图 18
3.4检验与分拣部分 19
3.4.1检验与分拣的概念 19
3.4.2工业相机与PLC的连接 20
3.4.3气缸的I/O分配 20
四、软件设计 23
4.1机械手部分 23
4.2 传送带部分 26
4.3 检验与分拣部分 27
五、仿真调试 29
六、设计总结 32
七、结论 34
八、致谢 35
参考文献 36
参考文献
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