智能码垛机械手控制系统设计

摘要

自21 世纪以来，作为高科技前沿技术之一的机械手技术发展迅猛，广泛应用于各行各业，工业上运用机械手主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂危险枯燥的作业。智能机械手技术是综合了计算机、控制理论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，其应用情况标志着一个国家高科技水平和工业自动化的发展程度。本设计采用的是电气控制，智能码垛机械手基于PLC （Programmable logic Controller，简称PLC）的控制系统设计。

本设计主要由硬件设计和软件设计两大部分组成，其中硬件设计包括主电路、控制电路以及电气控制线路的设计，软件设计包括流程图和梯形图的设计。主电路由伺服电机、热继电器、熔断器、接触器构成；控制电路由PLC控制器、传感器、驱动器等构成，并且在控制中加入智能算法，运用反馈闭环控制使码垛机械手更加精确运行。在设计中由传感器光电传感器等将位置、力度信号传给PLC主机，PLC通过控制各个驱动器实现电机的正反转，从而控制机械手的左右、伸缩运动，及手爪对物件的抓放。动作灵活多样，并可根据工作环境变化及运动流程要求随时更改相关参数。最后，借助于智能控制理论，对码垛机器人手臂的运行位置进行了智能优化。在基于S7-200 PLC为核心技术进行研发其控制系统指令表程序并调试，形成手动、全周期半周期及单步控制方式，对越来越广泛应用的“机-电”形成的自动化控制装置进行研究与推广。

关键词：智能机械手；传感器；驱动器；智能算法；PLC控制

Abstract

Since the 21st century, as one of the high-tech cutting-edge technology of the manipulator technology developing rapidly,is widely used in each Walks of life,Industrial use of robots mainly for welding, assembling handling, processing, spraying, pallet and other complex dangerous boring job.Intelligent manipulator is a combination of computer technology, control theory, organization learning, information and sensing technology, artificial intelligence, bionics and other -disciplinary and formation of the new and high technology, its application marks a national high-tech level and the development of industrial automation degree.Electrical control are introduced in this paper, intelligent stacking manipulator based on PLC (Programmable logic Controller, herein after referred to as PLC) control system design.

This design is mainly composed of hardware design and software design of two parts，the hardware design including main circuit, control circuit and the design of electrical control circuit, software design including the design of the flow diagram and ladder diagram.Main circuit, thermal relay, fuse, a servo motor contractor；Control circuit by PLC controller, sensors, drives, and travel switch, etc.And join in the control of intelligent algorithm, using the feedback closed-loop control to make stacking manipulator more precise operation.By sensors in the design and the switch position, strength signal to the PLC host, PLC by controlling the drive of the motor and reversing, the pallet trajectory of robot arm intelligent optimization and tracking control.Based on S7-200 PLC as the core technology research and development of the control system of ladder diagram program, instruction sheets and debugging, the formation of manual and full cycle half cycle and single step control method of more and more widely used electrical automation control device for research and extension.

Key words: Intelligent manipulator;The sensor;Drive;Intelligent algorithms;PLC control

目录

摘要........................................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................................ II

第1章绪论 (1)

1.1 课题背景与意义 (1)

1.1.1 研究背景 (1)

1.1.2 研究意义 (2)

1.2 国内外研究现状与发展趋势 (2)

1.3 机械手的各类型与用途比较 (4)

1.4 研究内容及章节安排 (7)

1.4.1 主要研究内容 (7)

1.4.2 主要难点 (7)

1.4.3 章节安排 (7)

第2章智能码垛机械手的总体方案设计 (9)

2.1 基于PLC的智能机械手总体设计方案与论证 (9)

2.1.1 方案设计 (9)

2.1.2 方案论证 (10)

2.2 机械手的主要结构及控制方案 (11)

2.2.1 机械手的基本结构 (11)

2.2.2 机械手的基本结构设计 (12)

2.3 机械手的工作参数及工作流程 (12)

2.4 码垛机械手硬件部分选型与设计 (14)

2.4.1 机械手爪的结构设计选型 (14)

2.4.2 伺服电机选型 (14)

2.4.3 驱动器的选择 (17)

2.5 传感器的选型 (21)

2.5.1 末端触力传感器设计选型 (21)

2.5.2 光电传感器设计选型 (23)

2.6 主电路的设计 (24)

2.6.1 熔断器的选择 (24)

2.6.2 热继电器的选择 (24)

2.6.3 接触器的选择 (24)

第3章系统的软件设计及智能算法的研究 (26)

3.1 PLC的选型与端口设计 (26)

3.1.1 PLC型号的选择 (26)

3.1.2 PLC输入输出端口的设置 (26)

3.2 机械手特殊环节的软件设计 (27)

3.3 控制规律与智能算法 (29)

3.3.1 伺服驱动器的闭环控制 (29)

3.3.2 控制智能算法 (30)

3.4 软件的编程 (32)

第4章智能机械手的调试 (33)

4.1 机械手的流程 (33)

4.2 机械手现场调试及路径规划分析 (34)

4.3 智能码垛机械手示意 (36)

结论 (39)

参考文献 (40)

附录 (41)

致谢 (44)

第1章绪论

1.1 课题背景与意义

1.1.1 研究背景

随着时代的不断进步经济飞速发展，生活水平的逐年提高，人们的环保意识自我安全意识也在不断加强，同时也使人们对各种产品的要求更高了，智能机械手显然更符合人们的需求。智能码垛机械手是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术产品，其应用日益广泛，成为当代新技术研究的热点。机械手的应用情况也是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机械手并不是在简单意义上代替人的劳动，而是综合了人和机器特长的一种拟人的机械电子装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器持续工作时间长，精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说，它也是机器在进化过程中的产物，是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备[1]。

作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展。不管是人工码垛，还是传统的自动码垛技术和在线式码垛机均无法满足现代化企业多品种少批量的产品码垛要求，即缺乏处理多种产品的能力；另外，随着大型物资批发配送中心的出现，需要为成千上万的用户按定单配送产品，这就要求码垛机具有混合码垛的能力，所有这些，都为码垛机械手的发展提供了机会，继70年代末日本将机械手技术用于码垛工艺以来，码垛机械手的研究开发获得了迅速的发展，柔性、处理速度以及抓取重量不断提高，价格不断下降。

近年来，机械手码垛技术发展甚为迅猛，这种发展趋势是和当今制造领域出现的多品种少批量的发展趋势相适应的，码垛机械手以其柔性工作能力和占地面积小，能够同时处理多种物料和码垛多个料垛，愈来愈受到广大用户的青睐并迅速占据码垛市场。智能码垛机械手操作更准确，具有定位精度高的特点，目前码垛机械手的定位精度可达0.1mm以上，而在焊接、装配等高要求领域里作业的机械手精度可达微米级；速度更快，如ABB公司在开发具有1200周期/小时160kg抓取载荷的名叫FlexPalletizerIRB640码垛机械手。机械手技术在码垛领域中的应用，主要表现在以下几个方面：

(l)适应性强。码垛机械手主要更换抓手就可以处理不同种类的产品。

(2)智能程度高。码垛机械手可以对到来的物料进行识别，然后根据识别信息将物料送往不同的托盘上。

(3)操作范围大。码垛机械手本身占地面积小，操作范围大，可同时处理多条生产线上的产品。

(4)卸垛与码垛这种情况是指将两个以上的匀质物垛进行卸垛，然后将卸下的物料码垛在另一个托盘上，以满足用户的要求。

1.1.2 研究意义

据联合国欧洲经济委员会国际机械手联合会最新统计，目前在世界范围内服役的机械手总量大致在76万台至102万台之间。从宏观的角度看机械手发展的大趋势，20世纪花了大约50年，工业机械手从萌芽进入成熟，20世纪90年代起步的下一代机械手大约需要30年的培育期，即在2020年左右有望进入成熟期。

日本、美国等西方发达国家码垛机械手应用广泛，几乎遍布各个行业，如石化行业、食品行业中的、饮料行业等等。而在中国，码垛机械手开始在食品化工等行业刚开始得到应用。码垛机械手未能在较大行业范围内使用，而且在使用的码垛机械手中，进口码垛机械手占据很大一部分比例。从各方面可显示出，工业机械手现在处于迅速发展阶段，掌握机械手的设计方法是刻不容缓的事情。随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的不断提高，人们对降低劳动强度、改善工作环境日益重视起来。石油化工、化肥、粮食、港口等行业对码垛质量和劳动效率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。而传统的人工码垛由于其生产效率低下而成为这些行业产量和码垛质量提高的巨大障碍，己不能满足现代化大生产的需要。目前国内全自动码垛设备主要依靠进口，国产设备生产厂家相对较少，码垛机械手技术不是很成熟。我国人工码垛的低效率与产量的日益提高之间的矛盾日益突出，因此对码垛机械手的研究具有重大的经济意义和现实意义[1]。

1.2 国内外研究现状与发展趋势

工业机械手是一种用于再现人手功能的自动控制装置。对其研究源于20 世纪40 年代末，最早由美国橡树岭国家实验室开始研究搬动核原料的遥控机械手，逐渐发展成为现代自动控制领域的新技术，涉及力学、机械学、电器液压技术、传感器技术和计算机技术等的综合，成为一门新兴学科。

经过美国几年的科研攻关，于1958 年联合控制公司研制出了世界第一台机械手，在机体上安装一个回转长臂，并在端部装有电磁铁的工件抓放机构。之后经过四年的发展由美国的机械铸造公司制造了一台数控示教再现型机械手，取名为Unimate(即万能自动)，运动系统采用仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰是用液压驱动。后来的许多机械手就是按此模型为基础发展起来的。1962 年美国的机械铸造公司制造又成功研制了一款叫Versatran 机械手，能实现点位和轨迹控制，实现灵活搬运。这些成果为全世界的工业

机械手发展奠定了扎实基础。

正是这样，后来的瑞土RETAB 公司生产的一种涂漆机械手，采用的示教方法编程。德国机器制造业从1970 年开始研究机械手，其中KnKa 公司还生产一种点焊机械手，用关节式结构与程序控制实现操作。主要研究应用于起重运输、焊接、设备上下料等作业。日本于1969 年从美国引进两种典型机械手后，大力从事机械手的研究，到1979 年时日本从事机械手研究与生产的院校、研究单位达50 多家，至1979 年时生产机械手数量达56900 台，1990 年时有55 万台机械手，是工业机械手发展最快，应用国家最多的国家，按每年55%的速度增长，并在汽车生产线上使用最多，目前成已为世界上工业机械手(机械手)应用最多的国家之一。前苏联从60 年代以来开始发展机械手并应用于各类生产中，最主要是应用于机械工业，为了减轻劳动强度，自动化水平较低。到70 年代中期时使用较为广泛，且超过一半是由国内生产。

中国经历了70 年代的萌芽期，主要以引进先进技术为主，代替部分人工劳动；80 年代的开发期，如上海ABB 工程有限公司、沈阳新松机械手自动化股份有限公司等均，90 年代的应用期，如柯马（上海）汽车设备有限公司、青岛欧地希机电(青岛)有限公司等均开发适用于用户要求的机械手。就目前来看国内使用的机械手进口所占比例依然较大，2012 年各占50%左右，约15000 台。在我国从制造大国向制造强国迈进过程中，还面临着国际环境与技术、分工的巨大挑战，发展自动化产业是政府必须主导且已经给予资金和政策扶持的重要产业，相信随着我国综合国力增强，科技不断进步，国产机械手应用于生产及走出国门将会更为广泛。

我国机械手应用主要分布在上海、辽宁等，华东地区占全国56%左右。主要应用于焊接、装配、喷涂、搬运等制造行业机械手；水下机械手、农业机械手、微操作机械手、医疗机械手、军用机械手、娱乐机械手等非制造业机械手。其控制方式主要基于单片机技术和PLC 技术为核心，且PLC 应用发展趋势更为出众。1972年我国第一台机械手在上海开发成功。随后各大型公司都逐渐开始研制和应用机械手。从1986年到1990年政府的第七年“五年计划”就将工业机械器人列入了优先发展的地位，通过立项投入了较大的人力与物力研究工业机械手应用于工农业生产的活动。并且研究制造了相关的工业机械手成果，如北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机械手；大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械手等等。相关的专用机械手的配套部件如专用轴承、传感器、伺服电动机等也研制出来并广泛使用。其中的关键性部件――控制器是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机械人研究所共同科研攻关的成果。随着计算机技术、机械制造技术及自动控制理论的发展，我国在许多工业上采用了机械手控制技术，尤其是近年以来，柔性制造技术和工厂的自动化技术不断应用生产实践，代替了许多繁重的体力劳动，改善了工人的劳动条件，也体现了工业机械手应用生产的强大生命力，不断推动科技更新，设备更新。