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畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
學(xué)生姓名
院系
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)、班級
機(jī)械08-3
指導(dǎo)教師姓名
職稱
教授
從事
專業(yè)
機(jī)械電子工程
是否外聘
□是否
題目名稱
柔性包裝機(jī)的設(shè)計
一、設(shè)計目的、意義
柔性包裝機(jī)的設(shè)計是專業(yè)的自動化搬運(yùn)碼垛設(shè)備，替代人工搬運(yùn)碼垛，只需定位抓起點和擺放點，兩點之間的軌道全由電腦控制，兩點直線運(yùn)動，定位十分準(zhǔn)確。生產(chǎn)上能迅速提高公司的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時還能減少人工搬運(yùn)造成的出錯。機(jī)器手碼垛機(jī)可全天候作業(yè)，配備機(jī)械手可替代不少工人的工作量，由此每年能節(jié)省幾十萬的人力資源成本，達(dá)到減員增效的目的。
柔性包裝機(jī)的設(shè)計是目前占地最小、效率最高、適應(yīng)能力最強(qiáng)的碼垛機(jī)。柔性包裝機(jī)的設(shè)計適應(yīng)于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調(diào)行業(yè)等生產(chǎn)企業(yè)；對各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱、瓶裝等各種形狀的包裝成品都適應(yīng)。
為配合卓越工程師試點工作中的課程改革，結(jié)合教學(xué)研究任務(wù)，本設(shè)計針對我院實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進(jìn)行實驗前期準(zhǔn)備工作。以PLC為控制核心設(shè)計碼垛單元的PLC控制系統(tǒng)，并應(yīng)用組態(tài)軟件制作操作界面。
二、設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）
設(shè)計內(nèi)容：
1．選擇和確定總體設(shè)計方案；
2．設(shè)計電氣控制原理框圖；
3．進(jìn)行PLC的選型及I/O分配；
4．設(shè)計PLC硬件系統(tǒng)；
5．PLC控制程序的編寫及調(diào)試；
6．組態(tài)界面的制作。
技術(shù)要求：
1．以PLC做為控制核心；
2．所設(shè)計的控制系統(tǒng)要能夠滿足實驗要求；
3．組態(tài)軟件設(shè)計的操作界面要友好，易操作。
三、設(shè)計完成后應(yīng)提交的成果
1．開題報告一份，與設(shè)計題目相關(guān)的英文文獻(xiàn)翻譯一份；
2．設(shè)計說明書一份，不少于1.5萬字；
3．技術(shù)資料
（1）系統(tǒng)框圖：A1圖紙一張；
（2）PLC控制系統(tǒng)的外部接線圖：A1圖紙一張；
（3）PLC控制系統(tǒng)梯形圖：A0圖紙一張；
四、設(shè)計進(jìn)度安排
2012年02月27日-2012年03月04日——接受任務(wù)，市場調(diào)查；
2012年03月05日-2012年03月18日——查閱文獻(xiàn)、收集資料，撰寫并提交開題報告；
2012年03月19日-2012年04月01日——確定控制方案，設(shè)計控制系統(tǒng)框圖；
2012年04月02日-2012年04月15日——器件選型；
2012年04月16日-2012年04月29日——系統(tǒng)硬件設(shè)計；解決問題，修改完善
2012年04月30日-2012年05月13日——程序編制與調(diào)試；
2012年05月14日-2012年06月03日——制作組態(tài)軟件操作界面；
2012年06月04日-2012年06月10日——撰寫設(shè)計說明書并用計算機(jī)繪圖；
2012年06月11日-2012年06月15日——完成說明書及圖紙的打印，準(zhǔn)備答辯。
五、主要參考資料
1.范永勝.電氣控制與PLC應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2007
2.皮壯行.可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000
3.王曉暉.自動化立體倉庫堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造自動化,2002(9):70－72.
4.裘為章.物料搬運(yùn)自動化[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992
5.包建華. 基于MCGS組態(tài)軟件的機(jī)械手控制系統(tǒng)研制[J].機(jī)械制造與自動化,2007(05)
6.常斗南.可編程控制器原理、應(yīng)用、實驗[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:24~ 241
7.王伯雄.測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003：180~ 279
8.孫寶元,楊寶清主編.傳感器及其應(yīng)用手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004
9.喬玉晶,呂寧.立體倉庫巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制與應(yīng)用,2004.
六、備注
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
系主任簽字：
年 月 日
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計
柔性包裝機(jī)的設(shè)計
院 系 名 稱：
機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級：
機(jī)械設(shè)計制造及自動化08-3班
學(xué) 生 姓 名：
指 導(dǎo) 教 師：
職 稱：
二〇一二年六月
The Graduation Thesis for Bachelor's Degree
Design and Simulation of Flexible Manufacturing System Palletizer Unit
Candidate: Zhang Yao
Specialty: Mechanical Design and
Manufacture & Automation
Class: B08-3
Supervisor: Lecturer. Qi Jianjia
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
摘 要
柔性制造系統(tǒng)（FMS）是集成了自動控制技術(shù)、人工智能、計算機(jī)語言編程組態(tài)監(jiān)控等現(xiàn)代化技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。
目前實踐教學(xué)作為教學(xué)過程中的一個環(huán)節(jié)，是工科院校培養(yǎng)跨世紀(jì)創(chuàng)造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點工作中的課程改革，結(jié)合教學(xué)研究任務(wù)，本設(shè)計針對學(xué)校實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進(jìn)行實驗前期準(zhǔn)備工作。
本設(shè)計主要由三層12倉位的立體倉庫和四自由度碼垛機(jī)械手兩部分組成。其中碼垛機(jī)械手由機(jī)械傳動部分和電氣控制兩部分組成，電氣控制是由西門子S7-200 CPU224XP型可編程控制器(PLC)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、開關(guān)電源、位置傳感器等器件組成。
在設(shè)計過程中，不斷參閱相關(guān)電氣設(shè)計規(guī)范的資料，參照現(xiàn)有的碼垛機(jī)的工作模式及控制方法，最終完成PLC為控制核心的碼垛單元的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，并應(yīng)用組態(tài)軟件制作監(jiān)控仿真界面。
關(guān)鍵詞：柔性制造系統(tǒng)；碼垛機(jī)；立體倉庫；PLC；組態(tài)
ABSTRACT
A Flexible manufacturing systems (FMS) is the production equipment, which integrates the automatic control technology, artificial intelligence, computer programming language configuration and monitoring modern technology.
The current practice of teaching as teaching process of a part is the training of cross century creative talents in Colleges of engineering is essential. As with outstanding engineer pilot work in the curriculum reform, combined with teaching and research tasks, the design for the school laboratory in the flexible manufacturing system of stereoscopic warehouse links in experimental preparations.
This system is mainly composed of three layers of 12 positions of the warehouse and four degrees of freedom palletizing manipulator. The palletizing manipulator is composed of a mechanical drive and an electric control. The electrical control is formed by Siemens S7-200 CPU224XP programmable logic controller (PLC), stepper motor drive power modules, switching power supply, sensors and other devices.
During the design process, the author refers a lot of the materials concerning the electrical design specification, refer to the existing palletizer work mode and control method, finally completed the PLC as control core Palletizing unit PLC control system design, and the application of configuration software production control simulation interface.
Key words: Flexible manufacturing systems; Palletizer; Stereoscopic warehouse; PLC; Configuration
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的概述 1
1.2.1 柔性包裝機(jī)的設(shè)計在國外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 柔性包裝機(jī)的設(shè)計在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 2
1.2.3 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的發(fā)展趨勢 3
1.3 課題的主要研究內(nèi)容 3
第2章柔性包裝機(jī)的設(shè)計的總體方案設(shè)計 4
2.1 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的總體框圖 4
2.2 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的結(jié)構(gòu)組成 5
2.3 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的控制方案 6
2.3.1 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的控制功能要求 6
2.3.2 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的控制方案確定 6
2.3.3 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的定位方案確定 7
2.4 本章小結(jié) 9
第3章柔性包裝機(jī)的設(shè)計的硬件設(shè)計選型及介紹 10
3.1 電動機(jī)的計算選取 10
3.1.1 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的已知參數(shù) 10
3.1.2 根據(jù)已知參數(shù)對電動機(jī)的選型計算 10
3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的介紹 11
3.3 可編程控制器的選型及I/O分配 13
3.3.1 可編程控制器的選型 13
3.3.2 可編程控制器的I/O分配 13
3.4 導(dǎo)軌的形式介紹 14
3.5 滾珠絲杠的介紹 15
3.6 本章小結(jié) 15
第4章柔性包裝機(jī)的設(shè)計的軟件設(shè)計 16
4.1 編程軟件介紹及使用 16
4.2 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的PLC程序設(shè)計 18
4.2.1 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的工作流程 18
4.2.2 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的軟件設(shè)計 20
4.3 本章小結(jié) 37
第5章 組態(tài)王仿真畫面的設(shè)計 38
5.1 組態(tài)王監(jiān)控軟件介紹 38
5.2 組態(tài)王監(jiān)控軟件仿真設(shè)計 38
5.2.1 建立組態(tài)軟件與PLC之間的通訊連接 39
5.2.2 組態(tài)畫面及監(jiān)控元素的設(shè)計 40
5.3 本章小結(jié) 45
結(jié)論 46
參考文獻(xiàn) 47
致謝 49
附錄 50
第1章 緒 論
1.1 課題背景
柔性包裝機(jī)的設(shè)計是自動化倉庫的主要搬運(yùn)碼垛設(shè)備，而立體倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系的要求和信息技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果，它是在不直接進(jìn)行人工干預(yù)的情況下自動地存儲和取出物流的系統(tǒng)，替代了人工搬運(yùn)，只需定位抓起點和擺放點，兩點之間的軌道全由電腦控制，兩點直線運(yùn)動，定位十分準(zhǔn)確。自動化立體倉庫碼垛機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)社會發(fā)展的高科技產(chǎn)物，可全天候作業(yè)，配備機(jī)械手可替代不少工人的工作量，由此每年能節(jié)省幾十萬的人力資源成本，達(dá)到減員增效的目的。生產(chǎn)上能迅速提高公司的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時還能減少人工搬運(yùn)造成的出錯。對提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。
柔性包裝機(jī)的設(shè)計是目前占地最小、效率最高、適應(yīng)能力最強(qiáng)的碼垛機(jī)。碼垛機(jī)械手適應(yīng)于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調(diào)行業(yè)等生產(chǎn)企業(yè)，對各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱、瓶裝等各種形狀的包裝成品都適應(yīng)。
目前實踐教學(xué)作為教學(xué)過程中的一個環(huán)節(jié)，是工科院校培養(yǎng)跨世紀(jì)創(chuàng)造性人才必不可少的。為配合卓越工程師試點工作中的課程改革，結(jié)合教學(xué)研究任務(wù)，本設(shè)計針對學(xué)校實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進(jìn)行實驗前期準(zhǔn)備工作。以PLC為控制核心設(shè)計碼垛單元的PLC控制系統(tǒng)，并應(yīng)用組態(tài)軟件制作監(jiān)控仿真界面。
1.2 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的概述
1.2.1 柔性包裝機(jī)的設(shè)計在國外的研究現(xiàn)狀
柔性包裝機(jī)的設(shè)計是隨著大型物流配送中心和自動化立體倉庫的發(fā)展起來的，物流這一概念是在20世紀(jì)50年代首先在美國形成的，立體倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系發(fā)展的要求和信息技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。
初期的立體倉庫使用的碼垛機(jī)以橋式起重機(jī)為基礎(chǔ)，這種碼垛機(jī)是從起重機(jī)的大梁上懸掛一個門架（立柱），利用門架的上下和旋轉(zhuǎn)來搬運(yùn)貨物。1960年左右在美國出現(xiàn)了巷道式碼垛機(jī)，這種堆垛機(jī)是在地面的導(dǎo)軌上行走，利用貨架上部的導(dǎo)軌防止傾倒，或者是在上部導(dǎo)軌上行走，利用地面導(dǎo)軌防止傾倒。在立體倉庫碼垛機(jī)的研發(fā)和使用方面，日本始終走在前列，1967年安裝了10～15米的高層碼垛機(jī)，1969年出現(xiàn)的聯(lián)機(jī)全自動化倉庫，特別是1973年建成了一座儲藏生鮮食物的冷藏庫，這是世界上第一座-40℃的極低溫倉庫，解決條件下碼垛機(jī)的可靠性和技術(shù)方面的問題，取得了引人矚目的成就。巷道式碼垛機(jī)逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機(jī)。
據(jù)不完全統(tǒng)計，美國擁有各種類型的自動化立體倉庫20000多座，日本有38000多座，德國有10000多座，英國有4000多座，前蘇聯(lián)有1500多座。
1.2.2 柔性包裝機(jī)的設(shè)計在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國第一臺橋式柔性包裝機(jī)的設(shè)計于1963年由北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所研制，在20世紀(jì)70年代初期開始，我國石油化工企業(yè)先后從日本、西德和意大利等國家引進(jìn)了幾十臺碼垛機(jī)。其中除了從西德繆勒斯（MOLLERS）公司和意大利OCME公司引進(jìn)幾臺外，其余大部分碼垛機(jī)均是從日本OKURA公司和不二公司進(jìn)口的。到80年代初期，我國一些企業(yè)和科研單位，在消化、吸收引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼設(shè)計、研制出幾種不同類型的碼垛機(jī)，并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒產(chǎn)品包裝碼垛生產(chǎn)線上，為碼垛機(jī)的國產(chǎn)化開創(chuàng)了良好的開端。當(dāng)時主要生產(chǎn)廠家有宜昌地區(qū)機(jī)械廠、常州化工機(jī)械廠、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所和沈陽運(yùn)輸機(jī)械廠等單位。從80年代初期開始，我國一些科研生產(chǎn)單位即著手設(shè)計研制輥道式碼垛機(jī)。當(dāng)時主要以仿型為主，即按國外同類型碼垛機(jī)的型式，并結(jié)合國內(nèi)的制造水平進(jìn)行設(shè)計研究的，為國產(chǎn)碼垛機(jī)奠定了雛形。到80年代中期，我國一些科研、設(shè)計和生產(chǎn)單位，開始設(shè)計研制氣墊式碼垛機(jī)。這種機(jī)型仍以仿型為主。該機(jī)型具有結(jié)構(gòu)較緊湊、自動化水平高，運(yùn)行動作靈活、成垛性能好、外形比較美觀等特點。但這種機(jī)型與國外同類先進(jìn)水平相比，仍有一定的差距。80年代后期，我國一些科研單位設(shè)計研制出一種機(jī)器人全自動碼垛機(jī)。該機(jī)是在輥道式碼垛機(jī)的基礎(chǔ)上，通過高架機(jī)械手進(jìn)行碼垛作業(yè)的一種機(jī)型。其處理能力為600~800袋/時。
哈工大機(jī)械人研究所于1988年研制的包裝碼垛生產(chǎn)線，從1992年6月安裝在大慶石化總公司投產(chǎn)運(yùn)行后，經(jīng)過二年半的生產(chǎn)使用，證明運(yùn)行情況良好，深得用戶好評。該所在此基礎(chǔ)上，又以國外最新產(chǎn)品性能為目標(biāo)，開發(fā)生產(chǎn)了一套第二代自動包裝碼垛生產(chǎn)線，并且于94年10月安裝在齊魯石化總公司投產(chǎn)運(yùn)行；還計劃再上二套碼垛生產(chǎn)線。同年11月又在天津聯(lián)合化學(xué)有限公司安裝了二套自動化包裝碼垛生產(chǎn)線。此后，自動化物流的開發(fā)與應(yīng)用得到了很大發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2006年底，全國自動化立體庫的保有量已超過500座。2006年建設(shè)的自動化立體庫在80座以上，主要集中在機(jī)械制造、汽車、煙草、食品加工、服裝生產(chǎn)、醫(yī)藥生產(chǎn)及流通等行業(yè)，與2005年相比，整個市場有了很大發(fā)展。
1.2.3 柔性包裝機(jī)的發(fā)展趨勢
縱觀世界各國碼垛機(jī)的發(fā)展的現(xiàn)狀，對今后的動向，可歸納如下：
(1) 重視“三化”，逐步采用國際標(biāo)準(zhǔn)。所謂“三化”，是指碼垛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。貫徹“三化”可以縮短設(shè)計周期，保證產(chǎn)品制造質(zhì)量，便于管理和提高經(jīng)濟(jì)效益。世界上許多國家，不僅重視產(chǎn)品的“三化”工作，而且非常注意采用國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。有的國家甚至廢除本國標(biāo)準(zhǔn)而直接采用國際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了促進(jìn)商品的國際交流。
(2) 實現(xiàn)產(chǎn)品的機(jī)電一體化。機(jī)械產(chǎn)品需要更新?lián)Q代。在當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)、自控技術(shù)和數(shù)顯技術(shù)大發(fā)展的年代里，更新?lián)Q代的重要標(biāo)志是實現(xiàn)產(chǎn)品的機(jī)電一體化。在碼垛機(jī)上應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，可以提高作業(yè)性能，增加安全性，以至實現(xiàn)無人自動操作。
(3) 人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用。碼垛機(jī)一般應(yīng)用在沉重、忙碌、環(huán)境比較差的場合。為了減少人員的作業(yè)強(qiáng)度，保證持久旺盛的體力和注意力，應(yīng)該根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的理論，設(shè)計導(dǎo)動裝置和人員輔助裝置，改善振動與噪聲的影響，以使最少、最合理的投資，獲得最佳的使用效果，使設(shè)備發(fā)揮最大的效率。
1.3 課題的主要研究內(nèi)容
本課題研究的主要內(nèi)容是教學(xué)用倉儲機(jī)械手碼垛機(jī)的自動控制及組態(tài)軟件的監(jiān)控仿真，主要包括以下幾個方面：
(1) 深入研究實際工作過程中碼垛機(jī)的工作情況，理解其工作原理；
(2) 根據(jù)參數(shù)選擇電機(jī)，確定控制方案。進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計；
(3) 根據(jù)總體方案的設(shè)計，設(shè)計電器控制的原理框圖；
(4) 進(jìn)行PLC的選型，進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計并對I/O分配；
(5) 針對每一部分的硬件設(shè)計，進(jìn)行軟件部分設(shè)計，PLC控制程序的編寫及調(diào)試；
(6) 應(yīng)用組態(tài)軟件制做監(jiān)控仿真操作界面。
第2章柔性包裝機(jī)的總體方案設(shè)計
2.1 柔性包裝機(jī)的設(shè)計的總體框圖
圖3.1 總體框圖
圖3.1為采用西門子S7-200 PLC作為主控制器的碼垛機(jī)總體框圖。一臺PC作為上位監(jiān)控機(jī)通過RS232/485通信端口與PLC相連，可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控管理。
本設(shè)計只針對PLC的控制設(shè)計，其輸入都有啟動按鈕、停止按鈕、單機(jī)聯(lián)機(jī)切換開關(guān)、急停等操作面板上的操作開關(guān)，還有碼垛機(jī)的行程限位開關(guān)和立體倉庫上12個倉格有無貨物的檢測開關(guān)。
其輸出包括4個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖和方向輸出，以及碼垛機(jī)上氣動機(jī)械手夾取松開的電磁閥和一些輔助的設(shè)備（例如啟動停止的指示燈）。4個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器分別驅(qū)動4個步進(jìn)電機(jī)，這4個步進(jìn)電機(jī)分別用于控制碼垛機(jī)的X軸、Y軸、Z軸的移動和1個機(jī)械手的轉(zhuǎn)動。
2.2 柔性包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)組成
本課題是針對學(xué)校實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進(jìn)行實驗前期準(zhǔn)備工作而設(shè)計的。實驗裝置由機(jī)械部分、電氣部分和操作臺組成，模擬了碼垛機(jī)在一個有12倉位的立體倉庫的工作情況。
碼垛機(jī)是由三個直線電控工作臺以及一個旋轉(zhuǎn)工作臺外加一個氣動手爪組成。然后整體放置在桌面上，用螺釘固定在桌面鋁合金槽內(nèi)的螺母中。
碼垛機(jī)的構(gòu)成表2.1。其中I軸和II軸除行程不一致外，本身結(jié)構(gòu)形式完全相同，均采用了光軸導(dǎo)軌支撐，滾珠絲杠傳動的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是承載能力高，安裝方便。III軸是垂直的升降軸，因為相對承載低，故采用光軸支撐，滾珠絲杠傳動的結(jié)構(gòu)。三個軸互成直角組合搭建而成。也就是典型的直角坐標(biāo)機(jī)器人。工業(yè)上經(jīng)常用到這種結(jié)構(gòu)。IV軸為旋轉(zhuǎn)軸，通過支架與III軸活動平臺連接。結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿形式。所有直線工作臺在此系統(tǒng)中都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過聯(lián)軸器與絲杠端連接。
表2.1 柔性包裝機(jī)的設(shè)計構(gòu)成介紹
軸
構(gòu)成
動作范圍
I
步進(jìn)電機(jī)
280mm
聯(lián)軸器
滾珠絲杠
光軸導(dǎo)軌
II
步進(jìn)電機(jī)
300mm
聯(lián)軸器
滾珠絲杠
光軸導(dǎo)軌
III
步進(jìn)電機(jī)
350mm
聯(lián)軸器
滾珠絲杠
光軸導(dǎo)軌
IV
步進(jìn)電機(jī)
±100°
蝸輪蝸桿
2.3 柔性包裝機(jī)的控制方案
2.3.1 柔性包裝機(jī)的控制功能要求
碼垛機(jī)是立體倉庫貨物存取任務(wù)的最終執(zhí)行者，其主要動作包括：
(1) 碼垛機(jī)沿貨架（I軸方向）的左右運(yùn)動；
(2) 碼垛機(jī)接近和遠(yuǎn)離貨架（II軸方向）的前后運(yùn)動；
(3) 碼垛機(jī)沿立柱（III軸方向）的上下升降運(yùn)動；
(4) 安裝在碼垛機(jī)上機(jī)械手的轉(zhuǎn)動（IV軸）；
(5) 安裝在碼垛機(jī)上機(jī)械手的加緊和放松。
因此，碼垛機(jī)單元的自動控制主要應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：
(1) 手動控制功能：僅能通過控制面板的按鈕進(jìn)行啟動、停止、急停等控制操作；
(2) 自動控制功能：當(dāng)手動按下啟動按鈕時，要求碼垛機(jī)應(yīng)能完成復(fù)位動作以及貨物的自動入庫任務(wù)。碼垛機(jī)運(yùn)動的情況下，碼垛機(jī)要運(yùn)動到碼垛位和抓取位，其中的坐標(biāo)點必須有一個參考系，并且，在系統(tǒng)斷電的時候，為防止系統(tǒng)丟掉原點信息，以及當(dāng)系統(tǒng)以外停機(jī)或發(fā)生故障的時候需要系統(tǒng)具有原點復(fù)位功能。
(3) 安全保護(hù)功能：實時監(jiān)測各關(guān)鍵器件的使用情況及系統(tǒng)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障時及時報警。
2.3.2 柔性包裝機(jī)的控制方案確定
在當(dāng)今的工業(yè)控制領(lǐng)域，有相當(dāng)多的控制手段和設(shè)備，比如：繼電器控制、PC控制、單片機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)（DCS）以及可編程控制器（PLC）控制等等。
目前，比較有代表性的碼垛機(jī)控制方式主要有：
(1) 基于PLC的控制系統(tǒng)
基于PLC的控制系統(tǒng)，其主要構(gòu)成是以PLC控制器為核心，運(yùn)用其強(qiáng)大的I/O功能，完成其與HMI（人機(jī)接口）的通信，其主要優(yōu)點是編程比較簡單，對使用者的要求不高，且其抗干擾能力比較強(qiáng)大，運(yùn)行非常穩(wěn)定，主要缺點是不能實現(xiàn)通用化，其靈活程度不高。
(2) 基于PC控制系統(tǒng)
基于PC的控制系統(tǒng)是主要由計算機(jī)（一般是工控機(jī)）完成主要的算法和碼垛機(jī)器人運(yùn)動路徑規(guī)劃以及結(jié)合運(yùn)動控制器來控制電機(jī)運(yùn)動，由于基于PC機(jī)，故可以可使用高級語言編程，其靈活性比較高，可完成比較復(fù)雜的控制功能，其缺點是開發(fā)周期比較長，且對開發(fā)者要求比較高。
綜上所述，PLC作為一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，具有其獨特的優(yōu)點。本設(shè)計針對學(xué)校實驗室的柔性制造系統(tǒng)中的立體倉庫環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計的，規(guī)模相對于工業(yè)中要小，所以選擇第一種方案：基于PLC的控制系統(tǒng)。
2.3.3 柔性包裝機(jī)的定位方案確定
柔性包裝機(jī)定位控制方法很多，現(xiàn)就幾種典型方法介紹如下：
(1) 常規(guī)的限位開關(guān)定位方法
柔性包裝機(jī)在運(yùn)行過程中，要先確定目前的位置，然后才能根據(jù)目標(biāo)信號決定控制狀態(tài)。例如：碼垛機(jī)到某一層需要停下來時，首先在接近這一層時，要先從高速狀態(tài)減速，到達(dá)平層位置時，再停車準(zhǔn)備存取貨物。因此，我們通常在每一層井道上安裝三個限位開關(guān)，即上、下平層限位開關(guān)和平層限位開關(guān)。
如圖2.1所示，當(dāng)碼垛機(jī)在上升時，首先碰到下平層限位開關(guān)，此信號送到PLC輸入端，PLC向變頻器發(fā)出減速信號，變頻器按照預(yù)先設(shè)定的減速曲線，控制碼垛機(jī)開始減速，當(dāng)停下時，進(jìn)入貨物存取狀態(tài)。
圖2.1 平層開關(guān)示意圖
(2) 認(rèn)址片的定位方法
采用認(rèn)址片的定位方法時，準(zhǔn)確地認(rèn)址定位是正確存取貨物的關(guān)鍵。
認(rèn)址片結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，認(rèn)址方法如下：在巷道地基上相對于每列貨格安裝固定的認(rèn)址片（擋板），在碼垛機(jī)底部安裝4個光電開關(guān)（GDl和GD2）與（GD3和GD4）隨碼垛機(jī)一起前后運(yùn)動，每經(jīng)過列貨格，光電開關(guān)通過認(rèn)址檔板發(fā)出脈沖信號到PLC從而達(dá)到列認(rèn)址目的。同樣，在碼垛機(jī)立柱上相對于每層安裝認(rèn)址片，在其升降臺安裝光電開關(guān)（GD5和GD6）隨升降臺一起上下運(yùn)動，達(dá)到層認(rèn)址的目的。光電開關(guān)的脈沖輸入信號作為PLC內(nèi)部認(rèn)址計數(shù)器的計數(shù)信號，計數(shù)器的當(dāng)前值作為速度控制的依據(jù)。當(dāng)碼垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)貨格即計數(shù)器的計數(shù)值計到零時，發(fā)出停車信號使其停止運(yùn)行。
圖2.2 認(rèn)址片結(jié)構(gòu)
升降臺上的光電開關(guān)又用PLC內(nèi)部的計數(shù)器接收光電脈沖，升降臺每經(jīng)過一層，計數(shù)器減1計數(shù)，從而達(dá)到層方向認(rèn)址的目的。碼垛機(jī)對其定位精度要求是比較高的，一般誤差不超過2mm。否則，由于誤差的積累，在貨叉存取貨物時易碰到貨架或發(fā)生其他事故。但當(dāng)發(fā)出停車信號后，碼垛機(jī)由于慣性還會滑行一點，這樣，光靠計數(shù)認(rèn)址很難達(dá)到精確定位的目的。為此我們把認(rèn)址片結(jié)構(gòu)做成如圖2.2所示的形式。用1號光電開關(guān)作為認(rèn)址計數(shù)開關(guān)，計數(shù)到零時發(fā)出停車信號，然后再利用1號和2號開關(guān)作精確定位。如果1號與2號開關(guān)同時有信號，說明已停準(zhǔn)；如果只2號開關(guān)有信號，說明己超過，點動碼垛機(jī)回退，再檢測比較；如果只1號開關(guān)有信號，說明還未到中心點，點動碼垛機(jī)前進(jìn)，再檢測比較。這樣達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。
(3) 采用PLC脈沖串輸出與步進(jìn)驅(qū)動結(jié)合的定位方法
圖2.3 PLC脈沖串輸出與步進(jìn)驅(qū)動器結(jié)合
PLC脈沖串輸出與步進(jìn)驅(qū)動結(jié)合使用的控制系統(tǒng)，具有可靠性高、可實現(xiàn)精確定位等優(yōu)點，適合于小功率驅(qū)動系統(tǒng)。
西門子PLC提供有開環(huán)運(yùn)動控制的三種方式：脈寬調(diào)制（PWM）——內(nèi)置于PLC里，用于速度、位置或占空比控制；脈沖串輸出（PTO）——內(nèi)置于PLC里，用于速度和位置控制；EM253位控模塊——用于速度和位置控制的附加模塊。
內(nèi)置于西門子PLC的PTO和EM253位控模塊都使用一個脈沖串輸出用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置控制，如圖2.3。
西門子PLC對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制有四種方式，分別如圖2.4所示。
圖2.4 PLC的輸出極性和方向控制方式
由以上的介紹，我們可以看出，安裝限位開關(guān)或認(rèn)址片的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個開關(guān)或認(rèn)址片的實際安裝距離，均不可避免地存在一定量的誤差，使得系統(tǒng)的安裝調(diào)試變得復(fù)雜，而且定位質(zhì)量難以保證。一旦系統(tǒng)要求改造，又要重新進(jìn)行安裝工作。而采用PLC脈沖串輸出與步進(jìn)驅(qū)動器結(jié)合的定位方法，通過PLC其發(fā)出的脈沖數(shù)可以很容易地確定碼垛機(jī)的當(dāng)前位置，這種碼垛機(jī)的位移定位方法具有定位精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，因此，采用此方案對碼垛機(jī)進(jìn)行定位。
2.4 本章小結(jié)
本章針對立體倉庫中柔性包裝機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計。系統(tǒng)主控制器選擇了在工業(yè)環(huán)境中廣受歡迎的可編程控制器（PLC）。最后，在綜合比較了多種碼垛機(jī)的定位方法后，并結(jié)合本設(shè)計的實際要求，選擇了定位精度更高，控制方法更加靈活的定位方案——通過PLC其發(fā)出的脈沖數(shù)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器結(jié)合定位的方法。
第3章柔性包裝機(jī)的硬件設(shè)計選型及介紹
本章將詳細(xì)分析系統(tǒng)中各個組成硬件的原理與特點，并根據(jù)貨物存儲系統(tǒng)的實際工作環(huán)境，選擇適合本系統(tǒng)的設(shè)備型號以及參數(shù)，完成碼垛機(jī)單元的硬件設(shè)計。
3.1 電動機(jī)的計算選取
3.1.1 柔性包裝機(jī)的已知參數(shù)
作為整個堆垛機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動速度驅(qū)動者，電動機(jī)的合適選取十分重要。針對該立體倉庫的實際工作情況，設(shè)計的堆垛機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下參數(shù)要求：
工作臺的質(zhì)量：kg；
工件質(zhì)量：kg；
最高速度：m/s；
加速時間：s；
減速時間：s；
絲桿導(dǎo)程：mm；
阻力：N；
摩擦系數(shù)：；
3.1.2 根據(jù)已知參數(shù)對電動機(jī)的選型計算
先求加速度：m/s
垂直方向軸向力計算：
上升加速時
N
上升勻速時
N
上升減速時
N
下降加速時
N
下降勻速時
N
下降減速時
N
水平運(yùn)動時
N
通過計算分析可以清楚地發(fā)現(xiàn)，碼垛機(jī)垂直方向的力較水平方向的力要大，因此只要按照垂直方向的上升加速時的力計算轉(zhuǎn)矩選取電動機(jī)，就可以滿足其它運(yùn)動對于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求。
N·m
通過表3.1可選BS57HB41-02型步進(jìn)電動機(jī)
表3.1 步進(jìn)電機(jī)型號具體參數(shù)
型號
步距角
（°）
保持轉(zhuǎn)矩（N·m）
額定電流（A）
相電阻
（Ω）
相電感（mH）
轉(zhuǎn)子慣量（g·mm2）
BS42HB33-01
1.8
0.16
0.95
4.2
2.5
38
BS42HB38-01
1.8
0.26
1.2
3.3
3.2
54
BS42HB47-01
1.8
0.317
1.2
3.3
2.8
68
BS57HB41-02
1.8
0.39
2.2
1.4
1.4
131
BS57HB51-03
1.8
0.72
3.0
0.74
0.9
275
3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的介紹
圖3.1 YKA2404MA(B)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器
YKA2404MA(B)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器如圖3.1，是一款經(jīng)濟(jì)、小巧的等角度恒力矩細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動器，驅(qū)動電壓DC12-40V，采用單電源供電。適配電流在4.0A以下，外徑42-86mm的各種型號的二相混合式步進(jìn)電機(jī)。
該驅(qū)動器內(nèi)部采用雙極恒流斬波方式，使電機(jī)噪音減小，電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)；驅(qū)動電源電壓的增加使得電機(jī)的高速性能和驅(qū)動能力大為提高；而步進(jìn)脈沖停止超過100ms時，線圈電流自動減半，使驅(qū)動器的發(fā)熱可減少50%，也使得電機(jī)的發(fā)熱減少。用戶在脈沖頻率不高的時候使用低速高細(xì)分，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度提高，最高可達(dá)200細(xì)分，振動減小，噪聲降低。
YKA2404MA(B)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的引腳功能說明如表3.2.。
表3.2 YKA2404MA(B)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的引腳功能說明
標(biāo)記符號
功 能
注 釋
+
輸入信號光電隔離正端
接+5V供電電源+5V~+24V均可驅(qū)動，高于+5V需接限流電阻。
PU
D2=OFF時為步進(jìn)脈沖信號
下降沿有效，每當(dāng)脈沖由高變低時電機(jī)走一步。輸入電阻220Ω，要求：低電平0~0.5V，高電平4~5V，脈沖寬度>2.5us。
D2=ON時為正向步進(jìn)脈沖信號
DR
D2=OFF時為方向控制信號
用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。輸入電阻220Ω，要求：低電平0~0.5V，高電平4~5V，脈沖寬度>2.5us。
D2=ON時為反向步進(jìn)脈沖信號
MF
電機(jī)釋放信號
有效（低電平）時關(guān)斷電機(jī)線圈電流，驅(qū)動器停止工作，電機(jī)處于自由狀態(tài)。
TM
原點輸出信號
電機(jī)線圈通電位于原點置為有效（B，-A通電）；光電隔離輸出（高電平）。
-
輸出信號公共地
TM信號光電隔離公共地端，TM端接輸出信號限流電阻，最大驅(qū)動電流50mA，最高電壓50V。
+V
電源正極
DC12～40V
-V
電源負(fù)極
AC、BC
電機(jī)接線
+A、-A
+B、-B
3.3 可編程控制器的選型及I/O分配
3.3.1 可編程控制器的選型
在碼垛機(jī)碼垛過程中，需要完成對砌塊的夾緊、升降及水平搬運(yùn)、旋轉(zhuǎn)等多個動作，動作頻繁且過程復(fù)雜。并且，在碼垛工作現(xiàn)場往往環(huán)境較為惡劣，所以為了保證生產(chǎn)過程平穩(wěn)有效地進(jìn)行，就要求控制系統(tǒng)具有很好的可靠性以及很強(qiáng)的故障診斷能力。目前，市場上的主流控制系統(tǒng)是PLC，它的特點是結(jié)構(gòu)小巧、通用性好、運(yùn)行速度快、可靠性高，非常適合于在高溫、振動、粉塵等環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)各種開關(guān)控制，所以選用PLC作為控制系統(tǒng)的核心部件。
目前，市場上存在著種類繁多的大、中、小型PLC，小到作為少量的繼電器裝置的替代品，大到作為分布式系統(tǒng)中的上位機(jī)，幾乎可以滿足工業(yè)控制的各種需要。
西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO、S7-200、S7-300、S7-400、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、HMI人機(jī)界面、工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
根據(jù)實際情況，初步計算，共有26個輸入、11個輸出，根據(jù)控制要求以及所需的端子，因為數(shù)目較多，需要對PLC進(jìn)行I/O擴(kuò)展。在該碼垛機(jī)設(shè)備中選擇直流型S7-200 CPU224XP DC/DC/DC，以及一個EM223（16輸入/16輸出）擴(kuò)展模塊。總共有30個輸入和26個輸出，可以滿足控制需求。
3.3.2 可編程控制器的I/O分配
碼垛機(jī)自動控制過程，包含了多個環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)之間都是緊密聯(lián)系，并非獨立存在，因此為了保證生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行，必須確保各環(huán)節(jié)適時配合和安全轉(zhuǎn)換。
輸入信號能夠?qū)⒋a垛機(jī)的工作狀態(tài)、操作及轉(zhuǎn)換信息等信號傳遞給PLC。包含了啟動、停止、急停、單機(jī)聯(lián)機(jī)切換開關(guān)等操作的按鈕，還有12個倉位有無貨物的檢測開關(guān)。
輸出信號主要是用來控制碼垛機(jī)設(shè)備的升降、進(jìn)退、夾緊、旋轉(zhuǎn)等動作。
根據(jù)碼垛機(jī)的實際情況，分析其功能，可將編程控制器的輸入/輸出分配如表3.3。
表3.3 I/O分配表
輸入端
說 明
輸出端
說 明
I0.0
單機(jī)狀態(tài)下啟動信號
Q0.0
碼垛機(jī)X軸驅(qū)動器脈沖信號
I0.1
單機(jī)狀態(tài)下停止信號
Q0.1
碼垛機(jī)Y軸驅(qū)動器脈沖信號
I0.2
急停
Q0.2
碼垛機(jī)X軸驅(qū)動器方向信號
I0.3
單機(jī)/聯(lián)機(jī)切換開關(guān)
Q0.3
碼垛機(jī)Y軸驅(qū)動器方向信號
I0.4
電控柜上電（接觸器吸合）
Q0.4
碼垛機(jī)升降軸驅(qū)動器脈沖信號
I0.5
底座X軸正向限位信號
Q0.5
聯(lián)機(jī)狀態(tài)下啟動信號
I0.6
底座X軸負(fù)向限位信號
Q0.6
報警指示燈
I0.7
底座Y軸原點信號
Q0.7
碼垛機(jī)升降軸驅(qū)動器方向信號
I1.0
底座Y軸正向限位信號
Q1.0
碼垛機(jī)旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動器脈沖信號
I1.1
底座Y軸負(fù)向限位信號
Q1.1
碼垛機(jī)旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動器方向信號
I1.2
升降軸Z正向限位信號
Q2.0
氣爪電磁閥
I1.3
升降軸Z負(fù)向限位信號
I1.4
旋轉(zhuǎn)軸4正向限位信號
I1.5
旋轉(zhuǎn)軸4負(fù)向限位信號
I2.0
成品倉格1工件檢測開關(guān)
I2.1
成品倉格2工件檢測開關(guān)
I2.2
成品倉格3工件檢測開關(guān)
I2.3
成品倉格4工件檢測開關(guān)
I2.4
成品倉格5工件檢測開關(guān)
I2.5
成品倉格6工件檢測開關(guān)
I2.6
成品倉格7工件檢測開關(guān)
I2.7
成品倉格8工件檢測開關(guān)
I3.0
成品倉格9工件檢測開關(guān)
I3.1
成品倉格10工件檢測開關(guān)
I3.2
成品倉格11工件檢測開關(guān)
I3.3
成品倉格12工件檢測開關(guān)
3.4 導(dǎo)軌的形式介紹
一般負(fù)載較重或者帶有徑向扭矩的時候，都需要選擇導(dǎo)軌支撐的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)軌也有很多種類，一般和載重、價格、精度有關(guān)系，下面列舉幾種常用的典型滾珠導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，說明一下各自特點和區(qū)別。
交叉滾柱導(dǎo)軌為水平相對滑動，兩根導(dǎo)軌之間放置保持架與滾柱，這種導(dǎo)軌略顯粗糙，要求安裝精度較高，運(yùn)動時易產(chǎn)生噪音。
光軸導(dǎo)軌實際上是一根光軸通過螺釘連接安裝到相應(yīng)弧度的支架上，上部裝有滑塊。這種結(jié)構(gòu)簡便、經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用到長度及負(fù)載不大的場合。安裝方便。
直線導(dǎo)軌是最普遍使用的，但造價較高，滑塊安裝時帶有預(yù)壓，消除間隙。要求為高精度高負(fù)載的場合使用。
圓弧導(dǎo)軌實際是直線導(dǎo)軌的擴(kuò)展，應(yīng)用到特殊場合。這里注意的是，直線導(dǎo)軌的滑塊一般不能與導(dǎo)軌體脫離，否則滑塊內(nèi)滾珠將散落，難以恢復(fù)，造成損失。
3.5 滾珠絲杠的介紹
工作臺除導(dǎo)軌外，最重要的核心部件應(yīng)該是滾珠絲杠。滾珠絲桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成，同直線導(dǎo)軌一樣，滾珠絲杠上的螺母與螺桿同樣不可分離，必須有專用的工具方可分離，否則滾珠散落。其特點：與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3；高精度的保證；微進(jìn)給可能；無側(cè)隙、剛性高；高速進(jìn)給可能。
3.6 本章小結(jié)
本章針對碼垛機(jī)的實際工作環(huán)境，選擇了適合的相關(guān)設(shè)備，并進(jìn)行了相應(yīng)參數(shù)的計算，對碼垛機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件方面的設(shè)計。分別從電動機(jī)、驅(qū)動器及其附屬設(shè)備、PLC、導(dǎo)軌、滾珠絲杠等方面，并簡單的做了一些介紹。
第4章柔性包裝機(jī)的軟件設(shè)計
一個完整的碼垛機(jī)是由硬件與軟件兩大部分組成的。要實現(xiàn)所要求的功能，除了完成硬件部分的設(shè)計，還要配備完善的軟件，系統(tǒng)才能正常工作。
4.1 編程軟件介紹及使用
西門子S7-200PLC的編程工具有編程器和編程軟件，其中編程軟件是最主要的編程工具，功能強(qiáng)大。不但可以開發(fā)程序和組態(tài)，也可以監(jiān)控程序的運(yùn)行情況，設(shè)置工作方式等。
STEP7-Micro/WIN編程軟件是專為西門子公司S7-200系列小型機(jī)而設(shè)計的編程工具軟件，使用該軟件支持指令表、梯形圖、邏輯功能塊圖3種編程語言，可以根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序，并完成與PLC的實時通信，也可以實現(xiàn)計算機(jī)與PLC之間進(jìn)行程序的下載、上傳以及在線監(jiān)控。
STEP7-Micro/WIN的主界面如圖4-1所示。
圖4.1 STEP7-Micro/WIN的主界面
(1) PLC選型和參數(shù)設(shè)置。
編程之前需要確定PLC的型號，當(dāng)PLC和計算機(jī)建立聯(lián)機(jī)，可以直接執(zhí)行“PLC”——“類型”——“讀取PLC”，計算機(jī)可以自行讀出PLC的類型；如果沒有聯(lián)機(jī)，則可以執(zhí)行“PLC”——“類型”，選擇相應(yīng)的PLC類型，如圖4-2所示。
圖4.2 PLC類型選擇
PLC的參數(shù)設(shè)置一般使用系統(tǒng)塊進(jìn)行設(shè)置，可以執(zhí)行“查看”——“組件”——“系統(tǒng)快”，對各項參數(shù)的進(jìn)行設(shè)置。
(2) 程序編寫（梯形圖）
符號表（Symbol Table）允許定義和編輯符號名，能在程序中用符號地址訪問變量，可以創(chuàng)建多個符號表。也可以在程序中使用系統(tǒng)定義的符號表。符號表還可以作為全局變量表進(jìn)行參考。如圖4-3所示。還可以使用程序編輯器中的局部變量表來為子程序和中斷服務(wù)程序分別指定變量。
圖4.3 符號表
單擊指令樹中的“程序塊”，選擇相應(yīng)的程序（主程序或者子程序）選項，在狀態(tài)圖框中輸入用戶的控制指令，如圖4-4所示。
圖4.4 程序塊編程區(qū)
(3) 程序的編譯
執(zhí)行菜單“PLC”——“編譯”或“PLC”——“全部編譯”命令，對所編程序執(zhí)行編譯功能。編譯完成后在信息窗口會顯示相關(guān)的結(jié)果，以便于修改。
(4) 程序傳送
當(dāng)編程計算機(jī)和PLC之間建立通連接，便可以將程序下載至該P(yáng)LC。下載至PLC
之前，必須確定PLC位于“停止”模式。點擊工具條中的“下載”按鈕，或者選擇“文件”——“下載”，出現(xiàn)“下載”對話框。
4.2 碼垛機(jī)的PLC程序設(shè)計
4.2.1 柔性包裝機(jī)的工作流程
經(jīng)過分析設(shè)計碼垛機(jī)的工作過程，整理如下：
(1) 上電后初始化數(shù)據(jù)；
(2) 按下“啟動”按鈕，四自由度碼垛機(jī)械手開始動作；
(3) 首先碼垛機(jī)械手開始復(fù)位動作；
(4) 第一軸退到限位開關(guān)處尋找原點信號；
(5) 第二軸左移到限位點后直接尋找原點，或者直接找到2軸原點信號；
(6) 第三軸退到限位開關(guān)處尋找原點信號；
(7) 第四軸退到限位開關(guān)處尋找原點信號；
(8) 當(dāng)所有軸信號都找到原點信號后，系統(tǒng)停止等待“運(yùn)行”開始；
(9) 按下“啟動”按鈕，碼垛機(jī)開始運(yùn)行，首先碼垛機(jī)各軸運(yùn)動到工件夾取位置處，然后碼垛機(jī)械手夾取工件，再將工件提升起來；
(10) 判斷是否有空倉格，然后計算運(yùn)動都指定倉格的脈沖數(shù)；
(11) 各軸運(yùn)動到倉格上方，放下貨物，松開機(jī)械手；
(12) 碼垛機(jī)退回，復(fù)位。
根據(jù)以上分析碼垛機(jī)的工作過程，制定流程圖如圖4.5所示。
圖4.5 碼垛機(jī)工作流程圖
4.2.2 柔性包裝機(jī)的軟件設(shè)計
(1) 通過脈沖輸出向?qū)У膭?chuàng)建PTO指令子程序
S7-200PLC提供兩個脈沖發(fā)生器。一個被分配給數(shù)字量輸出點Q0.0，另一個被分配給數(shù)字量輸出點Q0.1。這里先以Q0.0為例進(jìn)行配置，如圖4.6 (a~h)所示。
(a) 指定脈沖發(fā)生器
(b) 選擇線性脈沖串輸出PTO
(c) 電機(jī)速度設(shè)置
(d) 加速減速時間設(shè)置
(e) 運(yùn)動包絡(luò)定義
(f) 新包絡(luò)
(g) 分配存儲區(qū)
(h) 完成PTO配置
圖4.6 脈沖輸出向?qū)?
(2) 通過EM253位控向?qū)?chuàng)建POS指令子程序
S7-200PLC只提供兩個脈沖發(fā)生器，即Q0.0和Q0.1，而碼垛機(jī)共有4個步進(jìn)電機(jī)，需要4組脈沖輸出，因此擴(kuò)展2個EM253位控模塊，其配置如圖4.7 (a~m)所示。
(a) 配置EM253位控向?qū)?
(b) 設(shè)置模塊位置
(c) 使用相對脈沖數(shù)
(d) 模塊輸入響應(yīng)
(e) 電機(jī)速度設(shè)置
(f) 電機(jī)點動速度設(shè)置
(g) 加速減速時間設(shè)置
(h) 補(bǔ)償時間設(shè)置
(i) 參考點
( j) 運(yùn)動包絡(luò)定義
(k) 新包絡(luò)
(l) 分配存儲區(qū)
(m) 完成EM253位控模塊配置
圖4.7 EM253位控模塊向?qū)?
根據(jù)脈沖輸出向?qū)Ш虴M253位控模塊配置向?qū)Ы⒑玫闹噶钭映绦蛉鐖D4.8所示，使用時只需選取調(diào)用則可。
圖4.8 脈沖輸出指令子程序塊
(3) 編制PLC梯形圖
根據(jù)圖4.5流程圖編制PLC梯形圖，碼垛機(jī)的啟動信號梯形圖如圖4.9所示，當(dāng)上一環(huán)節(jié)完成時，變量V32.0閉合得電；如果單聯(lián)機(jī)切換開關(guān)I0.3閉合得電時處于單機(jī)狀態(tài)，此時按下單機(jī)啟動按鈕I0.0使其閉合得電，使其V32.1置位，V600.4和V600.5復(fù)位，V32.1置位閉合后，定時器T203開始計時，0.2s后T203動作閉合，碼垛機(jī)開始運(yùn)行，Q0.2復(fù)位等操作。
圖4.9 碼垛機(jī)啟動梯形圖
圖4.10為碼垛機(jī)到達(dá)工件夾取位置時機(jī)械夾取貨物的梯形圖。當(dāng)上一環(huán)節(jié)完成時，變量V32.7閉合得電；如果單聯(lián)機(jī)切換開關(guān)I0.3閉合得電時處于單機(jī)狀態(tài)，此時按下單機(jī)啟動按鈕I0.0使其閉合得電，使其V33.0置位，V33.0閉合得電后， Q2.0置位，使其氣動電磁閥得電，機(jī)械手夾緊貨物。同時定時器T204開始計時，1.5s后T204動作閉合，進(jìn)行下一環(huán)節(jié)。
圖4.10 機(jī)械手夾緊貨物梯形圖
圖4.11為步進(jìn)電機(jī)的PTO輸出控制使能和初始化梯形圖，該指令是通過脈沖輸出向?qū)Ы⒌淖映绦?。其各引腳的功能如下：
I_STOP（立即STOP）輸入量為一個布爾量輸入。當(dāng)輸入為低電平時，PTO功能正常操作。當(dāng)輸入變?yōu)楦唠娖綍r，PTO立即終止脈沖輸出。
D_STOP（減速STOP）輸入量為一個布爾量輸入。當(dāng)輸入為低電平時，PTO功能正常操作。當(dāng)輸入變?yōu)楦唠娖綍r，PTO產(chǎn)生一個脈沖串將電機(jī)減速到停止。
Done輸出是一個布爾量輸出。當(dāng)Done位為高電平時，表明CPU已經(jīng)執(zhí)行完子程序。
當(dāng)Done位為高電平時，Error字節(jié)以一個無錯誤代碼或錯誤代碼來報告是否正常完成。
若在向?qū)е幸咽鼓蹾SC，C_Pos參數(shù)包含以脈沖數(shù)表示的模塊當(dāng)前位置。否則，當(dāng)前位置將一直為0。
圖4.11 PTO輸出控制使能和初始化
圖4.12為PTO輸出置為手動模式梯形圖。該指令允許電機(jī)以不同速度啟動、停止和運(yùn)轉(zhuǎn)，速度范圍在啟動/停止速度到向?qū)е付ǖ淖畲笏俣确秶鷥?nèi)。其各引腳的功能如下：
使能RUN（Run/Stop）參數(shù)，命令PTO加速到指定速度（速度參數(shù)）。即使在電機(jī)運(yùn)行時，您也可以改變速度參數(shù)的值。禁止參數(shù)RUN則命令PTO減速，直至電機(jī)停止。
參數(shù)Speed決定RUN啟用時的速度。速度限制為啟動/停止速度或本范圍以外的Speed參數(shù)的最大值。速度是一個每秒多少個脈沖的雙整型（DINT）值。電機(jī)運(yùn)行時可以修改該速度參數(shù)。
圖4.12 將PTO輸出置為手動模式
圖4.13為PTO輸出執(zhí)行運(yùn)動操作梯形圖。接通EN位，使能該子程序。確保EN位保持接通，直至Done位指示該子程序已完成。其各引腳的功能如下：
接通參數(shù)Abort，命令位控模塊停止當(dāng)前的包絡(luò)并減速直至電機(jī)停下。模塊完成該指令時，參數(shù)Done接通。參數(shù)Error包含指令的執(zhí)行結(jié)果。參數(shù)C_Profile包含位控模塊當(dāng)前正在執(zhí)行的包絡(luò)。參數(shù)C_Step包含當(dāng)前正在執(zhí)行的包絡(luò)的步。
圖4.13 對PTO輸出執(zhí)行運(yùn)動操作
圖4.14為EM253位控模塊的使能和初始化梯形圖，該指令在S7--200每次轉(zhuǎn)換為RUN模式時自動向位控模塊發(fā)出命令，裝載組態(tài)/包絡(luò)表。
MOD_EN參數(shù)必須為接通狀態(tài)以確保其它位控指令發(fā)送命令給位控模塊。如果MOD_EN參數(shù)為斷開狀態(tài)。位控模塊放棄所有正在進(jìn)行當(dāng)中的命令。
圖4.14 對EM253位控模塊的使能和初始化
圖4.15是將EM253位控模塊置于手動模式。這種模式下，電機(jī)可以以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)或者沿正向或反向點動。
使能RUN（Run/Stop）參數(shù)則命令位控模塊按指定方向（參數(shù)Dir）加速到指定速度（參數(shù)Speed）。您可以在電機(jī)運(yùn)行時改變速度值，但參數(shù)Dir必須保持恒定。禁止參數(shù)RUN則命令位控模塊減速至電機(jī)停止。
使能參數(shù)JOG_P（點動正轉(zhuǎn)）或JOG_N（點動反轉(zhuǎn)）命令位控模塊沿正向或反向點動。如果JOG_P或JOG_N有效的時間短于0.5秒，位控模塊則輸出脈沖運(yùn)動到JOG_INCREMENT所指定的距離。如果JOG_P或JOG_N的有效時間等于或長于0.5秒，位控模塊則開始加速到JOG_SPEED所指定的速度。
圖4.15 將EM253位控模塊置于手動模式
圖4.16為利用EM253位控模塊指令走到指定位置。接通EN位使能該指令。確保EN位始終保持接通直到Done位指示指令完成。
接通參數(shù)START發(fā)送一個RUN命令給位控模塊。每一循環(huán)周期，只要START參數(shù)接通且位控模塊不忙，該指令發(fā)送一個RUN命令給位控模塊，要保證該命令只發(fā)一次，使用邊沿檢測指令以脈沖觸發(fā)START參數(shù)接通。
參數(shù)Pos包含一個表示運(yùn)動位置（對于絕對運(yùn)動）或運(yùn)動距離（對于相對運(yùn)動）的值?；谒x的測量單位，該值可以是一個脈沖數(shù)（雙整數(shù)）或工程單位數(shù)（實數(shù)）。
參數(shù)Speed決定了運(yùn)動的最大速度。基于測量單位，該值可以是一個每秒脈沖數(shù)（雙整數(shù)）或是每秒工程單位（實數(shù)）。
參數(shù)Mode可選擇運(yùn)動類型：0為絕對位置；1為相對位置；2為單速連續(xù)正向轉(zhuǎn)動；3為單速連續(xù)負(fù)向轉(zhuǎn)動。
圖4.16 用EM253位控模塊指令走到指定位置
圖4.17為倉位的選擇，立體倉庫共有三層12倉位，V22.5控制第一層倉格的選擇，V22.6控制第二層倉格的選擇，V22.7控制第三層倉格的選擇。當(dāng)?shù)谝粚颖贿x中了，第二、三層將不能選擇，同樣當(dāng)?shù)诙颖贿x中了，第一、三層將不能選擇，當(dāng)?shù)谌龑颖贿x中了，第一、二層將不能選擇。
當(dāng)?shù)谝粚颖贿x中時，V22.5閉合得電，此時根據(jù)梯形圖由上到下的順序進(jìn)行判斷倉位，當(dāng)?shù)谝粚?倉位無貨物時，V23.0閉合得電，第一層1倉位將被選中，此時梯形圖繼續(xù)往下進(jìn)行時，其他倉位將不能再被選??；當(dāng)?shù)谝粚?倉位有貨物時，梯形圖將繼續(xù)往下判斷第一層2倉位，其他倉位同理。
圖4.17 倉位的選擇
圖4.18為報警梯形圖，當(dāng)碼垛機(jī)開始運(yùn)行使V32.0得電后報警0.5s；當(dāng)立體倉庫倉滿、急停按鈕按下和碼垛機(jī)運(yùn)行結(jié)束后時報警會出現(xiàn)報警。
圖4.18 報警梯形圖
4.3 本章小結(jié)
在這一章節(jié)中，首先簡單介紹了西門子S系列PLC軟件的使用；根據(jù)第二章、第三章中確定的碼垛機(jī)控制方案和PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及I/O合理的分配，制定碼垛機(jī)的工作流程圖，完成整個碼垛機(jī)的軟件程序的設(shè)計。
第5章 組態(tài)王仿真畫面的設(shè)計
5.1 組態(tài)王監(jiān)控軟件介紹
工業(yè)組態(tài)軟件是一種集數(shù)據(jù)采集與過程控制為一體的專用軟件，它能支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。目前國內(nèi)廣泛使用的工業(yè)組態(tài)軟件有以INTOUCH、WinCC為代表的進(jìn)口高端產(chǎn)品和以北京亞控組態(tài)王KingView為代表的在國內(nèi)工控界比較有影響的民族品牌，國產(chǎn)組態(tài)軟件同樣提供了資源管理器式的操作主界面，具有豐富的圖形、圖表功能和很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，由于這些卓越的性能，甚至也被國外的廠商所采用。
組態(tài)王組態(tài)軟件的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常是一種柔性結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)立專門的I/O服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、報警服務(wù)器、登錄服務(wù)器和WEB服務(wù)器等。它完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶\服務(wù)器模式，支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報警系統(tǒng)，可運(yùn)行在基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)上，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)上、下位機(jī)互連以及更高層次的廠級連網(wǎng)。
在工業(yè)自動化領(lǐng)域，它主要與PLC直接連接或通過網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò)中的一個控制節(jié)點，可以直接讀寫PLC內(nèi)部的寄存器狀態(tài)。利用觸摸屏組態(tài)設(shè)計軟件（不同的品牌具有不同的設(shè)計軟件），制作對應(yīng)的組態(tài)畫面。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，即可通過PLC采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)（如PROFIBUS、MODBUS等）傳遞至觸摸屏。通過它我們可以及時查看現(xiàn)場信息；同時，各類狀態(tài)信息、報警信息、控制信號等都能以文字、圖像、音樂、解說、動畫、錄像等多種形式，直觀、形象地展示在用戶面前。
5.2 組態(tài)王監(jiān)控軟件仿真設(shè)計
組態(tài)監(jiān)控的設(shè)計是為了方便我們能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場的生產(chǎn)狀態(tài)，了解設(shè)備狀況和生產(chǎn)進(jìn)度。
工程瀏覽器是組態(tài)王的集成開發(fā)環(huán)境，使用和Windows的資源管理器類似，如圖5.1所示。在這里您可以看到工程的各個組成部分包括Web、文件、數(shù)據(jù)庫、設(shè)備、系統(tǒng)配置、SQL訪問管理器，它們以樹形結(jié)構(gòu)顯示在工程瀏覽器窗口的左側(cè)。
工程瀏覽器由菜單欄、工具條、工程目錄顯示區(qū)、目錄內(nèi)容顯示區(qū)、狀態(tài)條組成?！肮こ棠夸涳@示區(qū)”以樹形結(jié)構(gòu)圖顯示大綱項節(jié)點，用戶可以擴(kuò)展或收縮工程瀏覽器中所列的大綱項。
圖5.1 北京亞控組態(tài)王工程瀏覽器
本設(shè)計的組態(tài)開發(fā)軟件選擇了北京亞控的組態(tài)王軟件，設(shè)計該軟件主要解決以下兩個問題：
5.2.1 建立組態(tài)軟件與PLC之間的通訊連接
圖5.2 設(shè)置串口參數(shù)
組態(tài)軟件與PLC之間建立通訊連接需要按如下步驟進(jìn)行：
(1) 在組態(tài)軟件中設(shè)置串口參數(shù)，具體設(shè)置如圖5.2所示。
(2) 選擇連接的 PLC 及通訊電纜，在這里選擇使用MPI電纜連接PC與PLC，參考圖5.3：
圖5.3 設(shè)備設(shè)置向?qū)?
再按下一步繼續(xù)完成相關(guān)設(shè)置，根據(jù)提示輸入設(shè)備的邏輯名稱（自定義一個名稱，方便我們知道連接的是哪一站）、選擇COM口（如上所使用的為COM1口，則選擇COM1即可，這里需要根據(jù)實際情況設(shè)置，如COM1已被其他設(shè)備占用，需選擇其他COM口）、填寫PLC的地址、連續(xù)按下一步選擇默認(rèn)屬性即可。通過以上幾個步驟的設(shè)置，就能順利建立起組態(tài)軟件與PLC之間的通訊連接，為我們后續(xù)的監(jiān)控和管理作好鋪墊。
5.2.2 組態(tài)畫面及監(jiān)控元素的設(shè)計
組態(tài)監(jiān)控畫面的設(shè)計主要明確監(jiān)控對象是什么。在FMS柔性制造系統(tǒng)中，很多環(huán)節(jié)需要我們能夠?qū)崟r掌握其運(yùn)行狀態(tài)，了解生產(chǎn)需求。所以在設(shè)計畫面上，需要先了解哪些要素是需要我們能隨時掌控的，包括設(shè)備動作流程、報警信息采集、數(shù)據(jù)接收顯示、歷史數(shù)據(jù)處理等。
本設(shè)計針對自動化立體倉庫的碼垛機(jī)，主要設(shè)計了以下監(jiān)控仿真畫面：
圖5.4 立體倉庫碼垛機(jī)組態(tài)監(jiān)控仿真畫面
具體實現(xiàn)過程參照如下步驟：
(1) 定義外部設(shè)備變量；
數(shù)據(jù)詞典中存放的是應(yīng)用工程中定義的變量以及系統(tǒng)變量。變量可以分為基本類型和特殊類型兩大類，基本類型的變量又分為內(nèi)存變量和I/O變量兩種。
“I/O變量”指的是組態(tài)王與外部設(shè)備或其它應(yīng)用程序交換的變量。這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動態(tài)的，就是說在組態(tài)王系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每當(dāng)I/O變量的值改變時，該值就會自動寫入外部設(shè)備或遠(yuǎn)程應(yīng)用程序；每當(dāng)外部設(shè)備或遠(yuǎn)程應(yīng)用程序中的值改變時，組態(tài)王系統(tǒng)中的