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1、毕设MPS操作手机械手单元调试控制功能的设计与实现22020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II1 绪论11.1课题背景及意义11.2 任务要求12 MPS系统简介22.1 MPS系统的基本功能23 操作手单元控制功能设计43.1 操作手单元结
2、构简介43.1.1 操作手单元的基本结构43.1.2 操作手单元中主要传感器以及执行机构的作用63.1.3 PLC的I/O分配情况63.2 操作手单元的控制功能设计与实现93.2.1 操作手单元的控制功能设计93.2.2 程序结构设计103.2.3手动单步运行控制功能实现104 程序调试234.1 联机调试中出现的问题234.2 问题的解决方案及结果235 结论24谢辞25参考文献261 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
3、，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
4、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
5、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P
6、LC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
7、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，
8、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。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，
9、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
10、结构不同于供料单元中的转动气缸，其结构如图2-3所示。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。CP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
11、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1I0.0Start手动按钮程序单步起动信号为1程序单步起动2I0.1Reset复位按钮程序复位信号为1程序复位。3I0.3A/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
12、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1I4.11B1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。2I4.21B2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。3I4.42B1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。4I4.32B2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。5I4.63B1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。6I4.53B2磁感应式接近开关控制提取缸
13、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。7I4.04B1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。8Q4.31Y1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。9Q4.41Y2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10Q4.22Y1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。11Q4.12Y2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。12Q4.73Y1控制阀电磁线圈控制提取缸
14、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。13Q4.54Y1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。14Q4.64Y2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1I0.1准备信号信号为1，加工单元准备发送工件。2I0.2准备信号信号为1，成品分装单元准备接收工件。4I0.5急停信号信号为1，加工单元发送急停信号。5I0.6颜色、材质信号见表3-46I0.7颜色、材质信号7I4.7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。8Q0.0准备信号信号为1，操作
