基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统设计

摘 要

码垛机器人是现代工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。随着近些年工业的迅速发展，以及人工费的增长，码垛机器人的应用更为广泛，逐渐形成了一门新型学科，被广泛应用于食品，饮料，油类加工以及钢铁等相关领域。而这些工业场所一般都具有生产任务重，环境复杂，危险系数高，人工费用高等特点，码垛机器人因为其显著的特点而受到特别重视。总之，码垛机器人是提高劳动生产率，改善工人的劳动环境，减少劳动成本和实现自动化生产的一个重要方式。工业密集型企业都非常重视它的发展。
随着新材料，新技术，新设备的发展，基于PLC系统的新型码垛机器不仅可以依据企业的需求进行定制，而且可以更好地节省电力和人力成本，为企业带来更高利润。
本课题主要研究以PLC为控制核心的新型工业码垛机器人控制系统，因此，本文主要设计基于PLC为主要控制器的控制结构。主要阐述系统的工作原理及控制过程，通过对码垛机器人的软件和硬件的设计，进行仿真研究.
该论文有图43幅，表3个，参考文献22篇。
关键词：码垛机器人 PLC 控制系统 MCGS

Control system of stacking robots based on PLC

Abstract

The stacking robot is one of the most frequently encountered control objects in the modern industrial automation space.With the rapid development of industry in recent years, as well as the growth of labor, stacking robots are more widely used,and it gradually formed a new discipline,it is widely used in food, beverage, oil processing and steel.And these industrial sites typically having the production task are heavy ,complicated environment,high risk,high labor cost etc, stacking robot under special attention because of its remarkable characteristic.In a word,the robot is an important way to improve worker’s labor environment , reduce labor costs and achieve automation production.
As new materials, new technology, the development of new equipment, new industrial stacking robot which based on PLC system not only can be customized according to the needs of the enterprises, but also can save electricity and labor costs, lead to higher profits for the enterprise.
This paper mainly studies the control system of the new industrial stacking robot,which is controlled by PLC,so this article mainly designs the control structure based on PLC as the main controller.The working principle and control process of the system are mainly described, and the design of the software and hardware of the pallet robot are simulated.

Key Words:stacking robot PLC control system MCGS

目 录

摘要 I
Abstract II
目录 III
图清单 V
表清单 VI
1 绪论 1
1.1 课题研究的意义 1
1.2 国内外现状 3
1.3 本文主要研究内容 3
1.4 本章小结 4
2 码垛机器人机械结构分析 5
2.1 码垛机器人常见结构形式 5
2.2 机械结构分析 5
2.3 工作参数设定 7
2.4 本章小结 8
3 码垛机器人硬件选型 9
3.1 驱动方式选择 9
3.2 步进电机的选型 10
3.3 直流伺服电机的选型 11
3.4 PLC的选择 12
3.5 PLC和上位机的通信连接 13
3.6 本章小结 14
4 PLC梯形图仿真和MCGS组态 15
4.1 动作控制要求 15
4.2 PLC的I/0口分配表 17
4.3 三菱GX works2梯形图仿真 17
4.4 MCGS组态监控 25
4.5 本章小结 29
5 结论 30
参考文献 31
致谢 32
附录 33

图清单
图序号 图名称 页码
图1-1 ABB码垛机器人 2
图1-2 Fuji码垛机器人 2
图1-3 KUKA码垛机器人 2
图2-1 码垛机器人的结构简图 6
图2-2 新型工业码垛机器人的机械结构示意图 6
图2-3 码垛机器人的工作空间示意图 8
图3-1 2HSS57步进驱动器接线端子图 10
图3-2 2HSS57步进驱动器和PLC连接图 11
图3-3 RMDS-302伺服驱动器引脚接线图 11
图3-4 RMDS-302伺服驱动器和PLC连接图 12
图3-5 控制系统框图 12
图4-1 PLC的外部接线图 15
图4-2 新型工业码垛机器人的工作流程图 16
图4-3 PLC模拟仿真按钮图 17
图4-4 PLC模拟仿真结果 18
图4-5 左右正转标志位梯形图 19
图4-6 左右反转标志位梯形图 19
图4-7 左右低速信号标志位梯形图 19
图4-8 手动前进减速标志位梯形图 20
图4-9 自动前进减速标志位梯形图 20
图4-10 手动后退减速标志位梯形图 20
图4-11 自动后退减速标志位梯形图 21
图4-12 上下正转信号标志位梯形图 21
图4-13 上下正转信号标志位梯形图 22
图4-14 上下低速信号标志位梯形图 22
图4-15 手动上升减速标志位梯形图 22
图4-16 手动上升减速标志位梯形图 23
图4-17 手动下降减速标志位梯形图 23
图4-18 自动下降减速标志位梯形图 23
图4-19 上下正转信号标志位梯形图 23
图4-20 基座正转信号标志位梯形图 24
图4-21 基座正转信号标志位梯形图 24
图4-22 基座低速信号标志位梯形图 25
图4-23 传送带电机标志位梯形图 25
图4-24 吸盘电磁阀标志位梯形图 25
图4-25 MCGS设置数据对象界面 26
图4-26 MCGS具体设置变量类型 27
图4-27 新建窗口 27
图4-28 窗口属性设置 27
图4-29 对象元件库管理 28
图4-30 对象属性设置 28
图4-31 脚本语言实例 29
图4-32 组态运行界面 29

表清单

表序号 表名称 页码
表2-1 码垛机器人常见结构 5
表2-2 新型码垛机器人的四轴各部分减速比 7
表4-1 PLC的I/O口分配表 19

1 绪论

近些年，随着科学技术的迅速发展，机器人学慢慢进入人们的生活[1]，无论是在电气工程学，计算机学，控制工程学，教育学，仿生学，信息传感工程学，还是人工智能工程学等领域都有着许多相关学科[2]。
而随着人工成本的增加，以及越来越庞大的生产规模需要，工业机器人已经成为自动化工厂和相关集成制造系统的一种自动化工具。在这些生产自动化领域普遍使用工业机器人，不但可以极大的提升产品的质量,节约资源，而且可以保障人身安全，改善劳动者的劳动环境，劳动强度，增强劳动生产率，最主要的是，在节约原材料和降低劳动生产成本上有着特别重要的意义。
1.1 课题研究的意义
顾名思义，工业码垛机器人就是现代机械与计算机控制的产物。它的主要任务是将一个个物料通过一定的设定好的方式，堆码成垛，这样做的主要目的是实现物料的自动化存储，搬运等原先由工人完成的任务。
在工业码垛机器人没有被发明之前，这些码垛工作都是由人工完成。而虽然可以按照人们的自己思想完成码垛的任务，但是这些码垛工作往往费时费力，而且工作环境危险恶劣，工作效率极低。人工码垛主要应用在一些物料轻，尺寸不大，形状不大，吞吐量小的的场合。传统的自动码垛方法在考虑了劳动者的效率和健康问题的基础上，增加了许多符合人机工程学的措施。如提升机，简单的机械手搬运等。
近年来，作为物流自动化领域的后起之秀，码垛机器人控制系统取得了较大的发展。因为条件所限，一些自动化生产领域的物料在形状上还是质量上，都会有些不同，这就要求现有的工业码垛机器人具有混合码垛的能力。所有的这些问题及需求，都为现有的码垛机器人控制系统带来机遇和挑战。但是，无论如何，工业码垛机器人的开发要求及任务非常清晰，即柔性度要提高，抓取原料的速度要提高，机械效率要提高，成本不断下降。
但是，从整体上来说，我国的工业码垛机器人技术同欧美，日韩等一些相关国家相比还是有着很大的距离，例如，起步较晚，工业基础较弱，相关学科及从业人员较少且不配套，应用领域较窄等。归根结底，主要是因为我国的机器人控制技术的薄弱，没有形成相关产业。
我国目前尚无可用的通用型码垛机器人，绝大多数依靠进口。而目前欧美，
日韩的码垛机器人的市场占有率在百分之90以上，我国和其他国家还有很大的差距，这主要是因为我国机器人工业起步晚，相关从业人员少的原因。市场上主流的码垛机器人著名品牌有：瑞典的ABB公司，日本的Fuji公司，德国的KUKA公司等。

ABB公司已经在展会上推出了自己的第二代新型工业码垛机器人，这款机器人无论在精度上还是承载能力上，作业区域上，都有着很好的提高。它可以最远操作3.15米远的物料，最大承载质量为250KG，可以利用传感器技术跟踪移动的箱子，不停机也可以完成码垛工作。Fuji公司的新型工业码垛机器人，其最大工作半径范围2.5米，最大承载质量300KG,最高重复定位精度±0.5mm，最快运动速度0.2m/s。而德国的KUKA公司秉承了德国严谨的制造工艺的精神，已经在全球交付了超过8万部码垛机器人，质量方面令企业和个人满意[3]。
目前，美国，德国，日本等高度发达资本主义国家的自动码垛技术已经发展
到了很高的水平，无论是在吞吐量还是自动化程度上[4]。相比之下，我国还徘徊在初级阶段，应当在速度，负荷，自动化程度上加快步伐，缩短与技术发达国家的距离，相关技术工作人员还有很多复杂的工作要做。总的来说，我国既在码垛机器人方面面临挑战，同时又面临许多机遇。
1.2 国内外现状
从近几年国际大牌厂商推出的新型工业码垛机器人上看，它的发展趋势趋向于智能化，环保化，节能化，低成本化的方向发展。其主要表现为[5]：
（1）无论是在性能上还是质量上都有所提高，应用领域越来越广，市场潜力巨大；
（2）由于许多国家老龄化的严重和用工成本的增加，使得由机器单独完成的工作将加多，这样的好处就是可以减少人力成本，增强企业国际竞争力；
(3)随着新型工业码垛机器人领域热度的提高，其相关领域，如配件，加工，培训领域的热度也会相应提高，机器人的需求促使制造业向前发展，并为各种用途机器人做贡献；
（4）在如今低出生率的年代，从相关制造业解放出来的劳动力可以从事其他领域，从而推动其发展，这样，人力资源还可以得到再利用；
（5）机器人的应用更为广泛，其不仅可以应用在中大型企业，现如今小型制造型企业也可以从中获益，从而提高生产力，相应的社会生产总值也会提高，资金问题也会得到改善[6]。
1.3 本文主要研究内容
目前，主要富有代表性的码垛机器人控制系统主要有[7]：
（1）基于PC机控制系统
PC机控制系统主要是通过计算机，通常是工控机来完成码垛机器人运动路径规划和算法，并且结合一些运动控制器来完成控制点击运动的任务。由于PC机的编程语言较多，故其灵活性较高，可以通过一些高级语言进行编程，完成较为复杂的控制任务但是其对开发者的要求较高，开发周期较长，灵活性较高。
（2）基于PLC的控制系统
基于PLC控制器为核心的控制系统，因其友好的人机交互界面，简单易学的编程语言，强大的I/O口，抗干扰能力强，运行稳定的特点，在实际应用中十分广泛。但是其也有缺点，就是灵活程度不高，不能实现通用化等。
本课题主要研究以PLC为控制核心的新型工业码垛机器人控制系统，因此，本文主要设计基于PLC为主要控制器的控制结构。主要阐述系统的工作原理及控制过程，通过对码垛机器人的软件和硬件的设计，进行仿真研究。其主要的研究内容和实施方案包括：
(1)通过对目前主流的工业码垛机器人的工作原理及发展趋势，机械结构进行介绍，因为在设计控制系统之前，必须对所控制的对象的硬件结构有所了解，这样才能开展研究。
(2)确定新型工业码垛机器人的控制系统。在现有的机器人控制系统的研究下，充分探讨各自的优缺点，从而确定整体控制方案。其主要包括：各个运动关节的驱动方式的选择，控制器的选择，各关节控制系统的设计等。
(3)设计新型工业码垛机器人控制系统的硬件，主要通过各硬件系统的比较，确定本设计需要的硬件选型。
(4)设计新型工业码垛机器人控制系统的软件，PLC指令语句表,通过组态仿真软件对该设计进行仿真分析。
创新点表现为：各自由度实现高速，稳定，高效的协调控制；高稳定性，安全性和可靠性的硬件选型，实现码垛机器人的长久稳定运行；有着很少的误差，高精度的控制；较好的可扩展性和灵活性等。
1.4 本章小结
本章首先介绍了码垛机器人的发展和现状，再针对性的提出本设计需要设计的具体内容，为下面的设计提供总体指导思想。

2 码垛机器人机械结构分析

2.1 码垛机器人常见结构形式
如表2-1所示，一般码垛机器人的结构形式是由其臂部自由度的形式而定的，也就是坐标形式。可以主要分为如下几种：（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型 (3)球座标型（4）关节坐标型。而结构形式不同，性能特点也就不同。
表2-1 码垛机器人常见结构
类别 结构特征 性能特点
直角坐标型 由三个线性关节组成，用来定位末端操作器的位置 精度，位置分辨率高，刚性好，易于实现高精度定位，但占地面积大，速度慢，密封性不好
圆柱坐标型 有三个自由度，用两个滑动关节确定物料的位置，一个附加关节确定物料的姿态 工作范围大，计算简单，输出动力大，所占体积小，但密封性不佳
球座标型 有三个自由度，用一个滑动关节和两个选择关节定位物料的位置，一个附加关节确定物料的姿态 结构紧凑，工作范围大，密封性好，但坐标复杂，难以实现控制，目前应用较少
关节坐标型 关节全部可以旋转，模拟人的手臂，一般为了保证机器人有六个自由度，关节数一般为六个，都是转动型关节 结构紧凑，工作范围大，占地体积小，应用广泛，性能稳定

其中，本文基于实际生产需要和应用等方面考虑，采用关节坐标型码垛机器人结构。
2.2 机械结构分析
在很多工厂的实际应用中，为了考虑到码垛过程尽量的安全，在保证码垛速度的同时，往往需要对码垛机器人的机械结构,定位精度方面进行考虑。

图2-1 码垛机器人的结构简图

新型工业码垛机器人一般来说，其结构示意图如图2-1所示，可以用并联机构，即平行四连杆结构。所有的手臂执行结构都安装在如图2-1所示的一个可以运动的基座上，来完成需要的动作。图中所示的平行四连杆结构具有改变位移，放大位移的作用，两个垂直的轴相互独立，互不影响。这样的结构带来的好处就是可以控制竖直方向上和手爪的移动距离呈比例关系，从而对实际的生产工作过程带来了精确的操控。同时，这样的结构还具有机械强度大，码垛定位精度高的特点，可以为机器人带来准确，长时间工作；为日后的机械维修带来了便利。

图2-2 新型工业码垛机器人的实际机械结构示意图
对以上的平行四连杆结构进行实际应用，可以得到如图2-2所示的实际机械结构示意图。其中，1，2，3，4四根连杆构成了基本平行四连杆结构，5处安放实现水平方向上移动的电机，6处安放实现垂直方向上的电机，7处安放一个控制整个系统旋转的电机，8处是手爪旋转部分，是机器人的末端执行机构，通常是夹钳式或者是吸盘式。这样设计带来的好处就是手爪部分可以随时保持与地面垂直的状态，无论系统在工作过程还是在待机时，都可以随时停止，保持平衡状态。
从工业机器人的自由度方面进行分析，新型工业码垛机器人具有四个相互独立的自由度，即图2-2中所示（5）处可以实现左右方向上的自由度，（6）处可以实现垂直方向上的自由度，（7）处可以实现基座旋转的自由度，（8）处可以实现手爪自由旋转的自由度，这些部分都由自己相应的驱动部分，电机或气缸组成。
其中，水平移动部分电机5和垂直移动部分电机6的传动部分包括了导轨，谐波齿轮，滚珠丝杠等一些部件，大臂和小臂通过滚珠丝杠驱动平行四连杆结构完成动作，5号和6号的两个滑块由滚珠丝杠与带轮同各自电机轴相连，控制机器人的水平方向和垂直方向上的运动。而基座和手爪部分由专门的驱动电机驱动，可以实现转向调节的功能。在滚珠丝杠的两个轴上分别可以放置两个限位开关，同理，基座上的电机轴也要放置相应的限位开关，对轴的运动进行控制，这样带来的好处有两种，一是为了保护驱动电机的安全，二是为了方便归零操作，实现动作的规范和准确性。机器的运行必有需要维修的时候，所以归零操作也就非常有必要了。
新型工业码垛机器人的控制程序的编写通过确定四个轴的减速比来确定，从而确定下列各轴的减速比：
表2-2 新型工业码垛机器人的四轴轴各部分减速比
轴号 同步带减速比 丝杠导程减速比 齿轮减速比 机构放大倍数
1 1：100
2 1：3 12 5
3 1：3 10 6
4 2：5 1：120

2.3 工作参数设定
由于新型工业码垛机器人设定的特殊的平行四连杆机械结构，各轴在运动时相互制约，又相互联系。对于机器人本身来说，机器人的工作空间也就是指机器人的末端执行机构能到达的空间位置的集合。因此，对于实际生产生活需要来说，为了让机器人能够以各种姿态到达任意空间，需要结合其工作性能设定机器人的手臂和腕部的运动目的。在这里，可以设定码垛机器人搬运的是纸质物品，即平放的纸箱，重量较轻，因此，可以设置吸盘的抓取能力不足够大，20KG就可以。

图2-3 码垛机器人的工作空间示意图

经设定，新型工业码垛机器人的工作技术参数如下所示：
性能参数设定：
系统质量：500kg; 抓取最大质量：20kg；
码垛次数：10次/min 手爪搬运最大速度：30m/min
最高作业高度：1950mm 最大作业半径：2350mm
基座旋转最大角度:90° 最长连续运转时间：20h
连续运转允许最大误差：±10mm
为了实现上述数据的目标，现如今需要对码垛机器人控制系统做出如下要求：
（1）系统特色的平行四连杆结构使得四轴运动相互制约，又相互协调
（2）码垛是一个精确控制的过程，需要选出高性能，安全，稳定的硬件选型
（3）高负荷的工作需求也对系统的机械结构的刚性做出更高要求
（4）运动分析的主要目的是减少系统运行时的误差，因此，运动分析需要符合实际需求
（5）软件控制需要与硬件配套，实现系统的最高效运行
（6）良好的人机交互界面，便于操作
（7）扩展性，可维修性也非常重要
2.4 本章小结
本章首先通过对各种常见的工业机器人结构类型进行分析比较，选出本文应当选择关节坐标型机器人；然后通过对其机械结构进行介绍，提出了一些性能参数要求；最后通过具体的对其平行四连杆结构进行分析，得出运动学理论，为下一步电机硬件选型等提供依据。

3 码垛机器人硬件选型

3.1 驱动方式选择
码垛机器人的常见驱动方式有液压驱动，气压驱动与电气驱动这三种基本驱动类型。
在码垛机器人出现的初期阶段，因为其机械机构的简单性，一般采用连杆结构和曲柄连杆机构等，基于实用性等考虑[9]，较多的采用液压驱动和气压驱动这两种驱动方式。随着产业革命和越来越复杂的作业环境和作业精度需求，原有的液压和气压驱动方式虽然价格便宜，维护方便，但是不能满足实际的工厂生产实际需求。所以，电气驱动的码垛机器人所占的比例越来越大，以它精确，速度方面的优势，逐渐成为工业码垛机器人的主要驱动方式。下面比较以上几种驱动方式的特点。
液压驱动的主要优点就是功率高，结构简单，不需要减速装置，反应快速，直接与被驱动的部件相连，维修保养都很方便，但是由于需要液压源，如果造成液体泄露，后果不堪设想。
液压驱动有如下优点：
(1）液压缸很容易到达很高的单位面积压力，设备的重量与体积较小，所获得的瞬间功率和力矩较大；
(2)由于液体介质的可压缩性很小，系统的工作较为稳定平稳，定位精度控制的较好；
有如下缺点：
(1)液压油的黏度会随着自身工作时的温度而变化，如果温度过高，会降低系统的工作性能，在极限状况下甚至会爆炸，安全隐患较大；
(2)随着使用年限的增加，液压缸，密封圈等零件不可避免的会产生液压油泄露，这样也为日后的维护工作带来难度，造价较高。
气压驱动方式对比液压驱动方式，无论在结构上还是成本上都具有一定的优势，但是和液压驱动相比，由于气体的易压缩性不如液体的难压缩性，这样同体积下的功率较液压方式较小，且不容易控制。
气压驱动有如下优点[10]：
(1)相比较于液压驱动，气体的压缩方式较为容易；
(2)在一般情况下，工厂的空气压缩机较多，主要为电磁阀，气压驱动供气，来源方便，且可以在易燃易爆，粉尘较多，高辐射，高磁场等恶劣工作环境中工作；
电气驱动是指通过所选用的电机直接或者间接通过一些传动装置实现对执行机构的驱动，其能量来源广泛，直接，调速范围和定位精度很高，并且具有噪声小，控制方便等特点，在工业码垛机器人领域得到了广泛地应用。
3.2 步进电机的选型
步进电机是在工业自动化领域应用广泛的一种执行器件。它的角位移或者线位移是通过步进驱动器的电脉冲信号转化[11]，电机的转速以及停止的位置只受到这个脉冲信号控制，不受负载的变化而变化。其中速度和脉冲频率呈正比，运动的方向由通电顺序决定。
本设计中需要使用三个电机进行驱动，即控制基座左右运动，手臂在垂直（上下）和水平（左右）方向上的运动。由于提升的货物重量较轻，是纸质货物，只是基座的旋转会克服一些自身重力和摩擦力，其余两个方向上的电机受力大小近似相等，所以这两个电机的型号可以选择相同。考虑到静力矩和转动惯量等参数，决定选用42BYGH47-0406A型步进电机。相应的，可以选用深圳杰美康公司的2HSS57型号的步进电机驱动器，配合自身的编码器使用。相应的驱动器接线图如图3-1所示。

图3-1 2HSS57步进驱动器接线端子图

由于PLC输出不能直接驱动，所以考虑到PLC对驱动器的控制控制，画出此步进电机驱动器和PLC的连接图，如图3-2所示。其中，PLC的输出口发出两个高速脉冲信号给伺服驱动器，通过设置PLC输出端口脉冲频率的高低给到PLS-端口，从而控制电机速度，而电机的运动方向则是由PLC的另一个高速脉冲输出点连接控制器的方向控制信号正端实现。

图3-2 2HSS57步进驱动器和PLC接线图

3.3 直流伺服电机的选型
考虑到实际码垛过程的精确度，基座的旋转部分选用功率较大的直流伺服电机。直流伺服电机具有启动转矩大，调速范围宽，维护方便的特点[12]，最大的好处就是控制精准，被广泛应用于机械手等工业领域。在这里，可以选用SM110-040-30LFB型直流伺服电机。同样的，由于PLC输出不能直接驱动电机，所以还要考虑设置相应的伺服控制器，在这里，可以选择RMDS-302型直流伺服电机驱动器。它的引脚接线图如图3-3所示。

图3-3 RMDS-302伺服驱动器引脚接线图
其中，CHA,CHB是编码器的反馈部分，伺服判断速度就是通过这个反馈实现，电机和编码器的参数由驱动器设置；MT1和MT2输出口驱动直流伺服电机，232T，232R是上位机调试串口；DSIN和ASIN是由PLC高速脉冲输出控制，通过驱动器控制电机，CANH和CANL连接总线。
在这里，如图3-4所示，考虑到由PLC控制伺服驱动器，再由伺服驱动器驱动电机，所以还要设计出伺服驱动器和PLC的连接，其中，

图3-4 RMDS-302伺服驱动器和PLC接线图
在完成具体的驱动选型之后，整个控制系统的原理也就得出。即PLC发出高速脉冲给伺服驱动器，驱动电机，转动之后编码器反馈信号到驱动器，由驱动器计算位置偏差，实现闭环控制[13]，也就实现了基座的旋转功能；接着PLC通过对步进电机驱动器分别发出速度和方向脉冲信号，由驱动器将这个信号放大驱动步进电机，也就实现了其余两个电机的控制功能。具体的驱动控制系统如图3-5所示。

图3-5 控制系统框图
3.4 PLC的选型
PLC（可编程逻辑控制器）是一种可编程的控制器，通过内部的存储程序，进行逻辑运算和顺序控制，同时具有计时计数等功能，并通过数字式或者模拟式的输入或者输出来实现对生产加工过程的控制。
从本质上来说，PLC是一种工业控制用的计算机，它的结构上和普通的计算机基本相同，其主要结构有：电源，中央处理器（CPU），输入输出接口电路，存储器以及各种功能模块和通信模块。
可编程逻辑控制器的工作过程可以分为三个阶段，按照顺序可以分为输入采样阶段，用户程序执行阶段和输出刷新阶段。一个扫描周期就是指完成上述三个阶段的时间，在PLC工作的时间内，它的CPU按照用户指定的速度完成对上述步骤的重复执行操作[13]。
在实际生产生活中，PLC 有着以下优点：
1.使用方便，编程简单。使用简单明了的梯形图或者是指令语句表，入门容易，对开发者的实际应用水平要求较低，且修改程序简单容易，不需要拆动硬件，可以进行在线修改程序。
2.功能强大，价格低廉。相对比其他的继电器控制系统，PLC具有很高的性价比，且一台PLC可以实现非常庞大的控制功能，有着很多可供编程者使用的编程元件。
3.抗干扰能力强，安全可靠。PLC用许多软件代替中间，时间继电器等进行控制，克服了传统继电器的触点接触不良，不稳定，抗干扰能力弱的特点。由于它的抗干扰能力强的特点，在恶劣的工业现场被广泛应用。
目前生产PLC的厂家有很多，主要有三菱（Mitsubishi),西门子,日本三菱公司生产的PLC是日本主要生产PLC的厂家之一，他们生产的PLC具有很高的性能和可维护能力，硬件的优势已经非常明显，但它的系统调试，编程，监控等方面的优势更为明显，因此，在工业自动化领域，它的应用较为广泛。西门子PLC因其德国制造的优良品质，在环境复杂的工业生产场合应用也极为广泛。但是其具有价格相对较高，对编程者的要求较高的缺点。
综合考虑，结合本人所学知识，决定选用三菱公司的PLC设备，即FX2N-48MT-D，晶体管输出形式，DC24V输入，对外部提供一组DC24V稳压电源。
3.5 PLC和上位机的通信连接
在实际的工业自动化控制领域中，PC（计算机）作为上位机，而PLC实现控制功能，与上位机进行通信连接，作为下位机，这样就会把PLC控制系统和计算机连接起来，构成了上位连接系统。作为系统的上位机，计算机可以对系统进行监控和管理，具有良好的人机交互界面。而PLC作为系统的下位机，起到控制的作用。为了实现两者之间相互通信，一般在现场控制系统中，计算机一般先提前在非现场以外的地方完成编程工作，后续当然可能涉及到参数的设定和修改等，间接的参与现场控制。而PLC则是现场的控制执行者，因为计算机没有直接参与控制，所以即便是计算机发生故障，这样也不会影响整个的生产过程。
为了实现PLC和上位机的通信连接，本文设计的上位机连接系统由Hostlink模块（PLC和上位机连接模块），PC（计算机），PLC，Link适配器还有一些电缆组成。
PLC和计算机之间的信息数据并行传送，使用串行通信方式两种信号需要有专用的传送协议进行互相转换。在计算机上和PLC上，分别使用RS-232C和上位机连接模块C200H-LK202，通过3G2A9-AL004E(LINK适配器），时两者相互连接，能起到这种作用。
PLC上的HOSTLINK模块和计算机进行通信，交换命令，计算机发送字符串时，该模块可以对其进行分析，并检查格式，根据所接受的代码完成相应控制操作，如果发生故障，还会及时向计算机反映信号，通知操作过程中出现的错误等[14]。
3.6 本章小结
本章首先对各种驱动方式进行比较介绍，选出适合本文的电气驱动系统；接着对各部分驱动电机进行具体选型，画出PLC控制驱动电气连接图，使之符合实际。接着比较主流的PLC特点，然后依据实际设计需求选出三菱FX2N-48MT-D作为本设计需要的设备；然后介绍PLC在现场如何与上位机取得通信，这些都非常重要。

4 PLC梯形图仿真和MCGS组态

4.1 动作控制要求
根据本文的设计要求及相关传感器，驱动器的选择，可以对所设计的码垛机器人的动作顺序做如下设计：
在这里，先设计有一条传送带传递物料，在传送带末端设置一块挡板，挡板上有一个限位开关，当传送带上的物料接触到这个限位开关之后，触发码垛动作。首先，在限位开关检测到有物料的时候，此时传送带停止前进，然后机械手臂开始前进，并下降，接着手抓上的吸盘电磁阀得电，抓取物料，之后传送带继续动作，然后机械手后退，并上升，基座开始旋转，接着机械手前进并下降，接着吸盘电磁阀失电，此时开始返回原点，也就是机械手后退并上升，基座返回旋转，循环动作，相应的PLC外部接线图如图5-1所示。

图4-1 PLC的外部接线图
其中，设置有启动和停止按钮，可以进行手动或者是自动选择模式，吸盘无论是吸取还是放下物料的时候，都会有一个延迟时间。一来是为了监控的方便，二来是为了保证码垛过程的安全性和物料的实际安全性要求。而且考虑到实际的现场要求，机器人的前进后退，上升下降，需要进行高速或者是低速设置，而基座的旋转则只需要考虑低速设置。整个过程的流程图为：

                图4-2 新型码垛机器人的工作流程图

4.2 PLC的I/0口分配表
根据上述具体应用要求，可以得出以下PLC的I/O分配表：

表4-1 PLC的I/O口分配表
输入分配 注释 输出分配 注释
XOO0 急停按钮 Y000 传送带电机KM
X001 手自动选择 Y001 机械手手抓气缸电磁阀YV1
X002 启动按钮 Y002 机械手左右正转信号
X003 停止按钮 Y003 机械手左右反转信号
X004 货物到位检测 Y004 机械手左右高速信号
X005 机械手前进停止按钮 Y005 机械手左右低速信号
X006 机械手后退停止检测 Y006 机械手上下正转信号
X007 机械手前进减速检测 Y007 机械手上下反转信号
X010 机械手后退减速检测 Y010 机械手上下高速信号
X011 机械手上升停止检测 Y011 机械手上下低速信号
X012 机械手下降停止检测 Y012 基座正转信号
X013 机械手上升减速检测 Y013 基器反转信号
X014 机械手下降减速检测 Y014 基座低速信号
X015 基座原点检测
X016 基座旋转到位检测
X017 手动机械手前进
X020 手动机械手后退
X021 手动机械手上升
X022 手动机械手下降
X023 手动基座旋转
X024 手动基座返回
X025 手动传送带动作
X026 手动吸盘电磁阀动作

4.3 三菱GX works2梯形图仿真
GX works2是日本三菱电机公司推出的一款PLC编程软件[15]，适用于三菱全系列的可编程控制器，集成了PLC设计，参数设定，调试，维护，程序线上修改，监控，调试等功能的编程工具。相对比于GX developer软件，操作更加容易，性能和功能有很大的提高。它支持梯形图，指令语句表，SFC，ST语言程序设计。其中，本设计采用梯形图编程进行仿真，监控和调试[16]。而且由于本设计中所设计的动作情况较多，所以设置了许多标志位，代表着脉冲发送完成以后对完成的这个动作进行标记，表示这个动作已经完成。在梯形图编程结束后，仿真监控结果如下：
点击“”模拟开始/停止”按钮，进行梯形图仿真。

图4-3 PLC模拟仿真按钮图

开始模拟仿真后，将各个部分按钮按下，使程序进入自动运行状态，进入到PLC监控画面，如图4-4所示

图4-4 PLC模拟仿真结

以下是具体的PLC梯形图设计部分：

在开始码垛动作前的所有限位开关按钮按下时，机器人开始抓取货物，基座同时正转，如图4-5所示。

图4-5 左右正转标志位梯形图
当码垛好货物后，基座开始反转，如图4-6所示

图4-6 左右反转梯形图
考虑到码垛过程需要减速设置，设计出左右低速信号标志位梯形图，如图4-7所示。

图4-7 左右低速信号梯形图
当系统手动运行时，设置如图4-8所示的手动前进减速标志位梯形图

图4-8 手动前进减速标志位梯形图

当系统自动运行时，设计如图4-9所示的自动前进减速标志位梯形图

图4-9 自动前进减速标志位梯形图

当系统手动运行时，设计如图4-10所示的手动后退减速标志位梯形图

图4-10 手动后退减速标志位梯形图
当系统自动运行时，设计如图4-11所示的自动后退减速标志位梯形图

图4-11 自动后退减速标志位梯形图

设计机械手上下正转的标志位梯形图如图5-12所示

图4-12 上下正转信号标志位梯形图

同理，设计机械手上下反转信号标志位梯形图

图4-13 上下反转信号标志位梯形图

考虑到码垛过程的安全性，设计上下低速信号标志位梯形图，如图5-14所示。

图4-14 上下低速信号标志位梯形图

同理，设计手动上升减速标志位梯形图

图4-15 手动上升减速标志位梯形图

待手动方式设计好后，设计如图4-16所示的自动上升减速标志位梯形图

图4-16 自动上升减速标志位梯形图

同理，设计手动下降减速标志位梯形图

图4-17 手动下降减速标志位梯形图

系统自动运行时，设计如图4-18所示的自动下降减速标志位梯形图

图4-18 自动下降减速标志位梯形图

设置上下正转信号标志位，如图4-19所示。

图4-19 上下正转信号标志位
设置基座正转信号标志位，如图4-20所示。

图4-20 基座正转信号标志位
设置基座反转信号标志位，如图4-21所示。

图4-21 基座反转信号标志位
考虑到实际码垛过程安全性，设计如图4-22所示的基座低速信号标志位梯形图。

图4-22 基座低速信号标志位梯形图

设计传送带电机的实际用途的梯形图，如图4-23所示

图4-23 传送带电机标志位梯形图

吸盘上的
电磁阀在每个过程的动作表现如图4-24所示

图4-24 吸盘电磁阀标志位梯形图
4.4 MCGS组态监控
MCGS(通用监控系统）是一套组态软件，通过对现场采集的数据进行处理，以流程控制，动画显示，报警处理等多种方式，向用户提供解决问题的具体方法。和PLC设备之间通过网络数字通信方式连接，实现实时控制和数据传输。常见的通讯方式有RS232,RS485,以太网，总线等。组态环境和运行环境组成了整个软件系统，组态环境用来帮助用户构造和设计需要的应用系统，运行环境按照已经设计好的组态工程，按照制定方式运行，处理等[17]。
PLC是起控制功能的设备，MCGS是控制软件。软件中集成了显示数据，启动停止等“软按钮”，在与PLC设备取得通信之后，通过这些控制要求传送到PLC内部，形成控制指令，然后PLC根据内部的程序循环扫描来完成控制需求。最后PLC通过输出的信号到真实的电磁阀，继电器，伺服电机等动作执行设备，控制对象也就完成动作。MCGS通过对PLC的实时监控，把PLC内部寄存器的状态转化为工程中设备的运行状态。例如报警显示，温度显示，时间显示等[18]。
MCGS组态软件由五大部分组成[19]，即主控窗口，设备窗口，用户窗口，实时数据库和运行策略组成，用户可以依据自己的需求进行调用。它的特点有：（1）简单灵活的操作界面；（2）并行处理能力和实时性强；（3）画面生动，丰富；（4）强大的数据处理能力；（5）网络通信功能突出；（6）多样化的报警功能；（7）支持多种硬件设备；（8）良好的可扩充性和可维护性等。
由于MCGS只能显示设备或者物体之间平面的操作顺序，而码垛过程中的基座旋转涉及到三维空间显示，因此这里化繁为简，把码垛的三维空间问题转化为平面问题，实质上完成的还是立体码垛过程，根据参考文献[20]具体操作过程为：
（1）在MCGS软件中首先新建一个工程，然后在“实时数据库”窗口下，点击“新增对象”按钮，接着点击“对象属性设置”按钮，，最后点击保存按钮。

图4-25 MCGS设置数据对象界面

图4-26 MCGS具体设置变量类型
（2）在“用户窗口”中点击“新建窗口”按钮

图4-27 新建窗口

 再点击“窗口属性”按钮，进行窗口属性设置。

图4-28 窗口属性设置
（3）双击新建的窗口，进入组态动画编辑窗口，在空白处右击，出现“出入原件”按钮，编辑组态画面。

图4-29 对象元件库管理

画面编辑完成后，双击元件按钮，进行单元属性设置，设置完成后点击保存。

图4-30 对象属性设置

（4）在用户窗口中双击“循环策略”按钮，进入脚本程序编辑，点击完成

图4-31 脚本语言实例

（4）在编辑好的组态动画窗口中，点击工具栏中的“进入运行环境”按钮，进行监控。

图4-32 组态运行界面

4.5 本章小结
本章首先设计码垛机器人的工作流程；接着给出PLC的I/O口分配表，用三菱仿真软件进行仿真分析；最后使用组态软件MCGS设计组态监控界面。

5 结论

本次设计的产品主要使用在工业自动化场合。根据所提出的设计要求完成能够实现的功能详见设计正文。它改善了工人工作的环境，使得工人的健康得到了保障，间接地提高了工人们工作的热情，从而提高了企业综合效益，达到一举两得的作用，该系统不仅满足了工业自动化的需求，从一定程度上而且大大地提高了劳动生产率。
主要设计内容有；
(1)详细介绍所设计产品的发展历程和课题研究的意义，充分了解所设计的产品；
(2)完成机械结构的设计，使之符合实际运动学定理和生产需要；
(3)对所设计的产品进行硬件选型和控制系统选型，然后对设计的产品进行PLC程序仿真和MCGS组态模拟监控。
由于条件所限，我没在现场学习，没有见到实物，但是通过视频和文字资料，慢慢的对所设计的产品进行了解，深入学习。但是论文中难免有一些疏漏和不足之处，在这里恳求各位老师能够批评指正。

参考文献

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[2] 毕胜.国内外工业机器人的发展现状[J].机械工程师，2008
[3] 朱世强，王宜银.机器人技术及其应用[M].浙江：浙江大学出版社，2001：35-44
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[5] 熊建国.工业机器人的应用发展及发展趋势[J].才智，2009
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[11] 钱平.伺服系统[M]北京：机械工业出版社，2005：45-47
[12] 张莉松，胡佑德，徐立新等.伺服原理与设计[M].北京：北京理工大学出版社，2008：23-26
[13] 黄净.电气及PLC控制技术[M].北京：机械工业出版社，1996：23-44
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[15] 余雷声.电气控制与PLC应用[M].北京：机械工业出版社，2005：33-37
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[18] 陈黎明.码垛机器人控制系统设计[D].上海：上海交通大学，2010
[19] 廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006：22-30
[20] 裴俊杰.论全PLC自动控制[J].太原科技，2004
[21] Bob. A automatic Matching Algorithm and Simulation for Irregular Cigarette Package Stacking[J].Robotics and Computer Integrated Manufacturing,2012
[22] James. Design and Simulation Based Validation of the Control Architecture of a Stacker Crane Based on an Innovative Wire-Driven Robot[J].Science,2010

致谢

经历了三个月的修改，我的毕业设计终于定稿。刚开始拿到这个题目的时候感觉一头雾水，因为自己没有现场经验，也没有见过实物。刚开始很担心，但是经过一段时间老师和同学们的鼓励，我逐渐的在网上查找对应资料，不懂就问，不会就学，真是在实践中不断学习，充实。

在完成设计的过程中，闫俊荣老师给予了我很大帮助，无论是从课题构思还是中心思想，甚至是一些简单的电脑绘图和格式问题，老师都一一解答，在此，我再次对闫老师提出感谢！
俗话说实践出真理，就拿编程来说，PLC程序虽然看似简单，但要从生产实际出发，这是和老师上课讲的是不同的。经过一段时间的程序调试，我终于将可以在应用现场生产中的程序设计出来，这对我来说是很大的突破。
大学本科四年的生活很快就要过去了，我即将离开校门，走上工作岗位，我会记住老师的谆谆教导，不忘初心，在未来的道路上，我会记住校训，为母校添彩！

附录

0 LD X002 34 AND X005 79 左右反转信号
1 OR M0 35 AND X012 79 LD X020
2 ANI X003 36 ORB 80 ANI X001
3 OUT M0 37 LD M206 81 LD M203
4 LD M0 38 AND T1 82 OR M207
5 OR M208 39 ORB 83 AND X001
6 OR M200 40 LD M207 84 ORB
7 ANI M201 41 AND X006 85 OR Y002
8 ANI M202 42 AND X011 86 ANI X006
9 ANI M203 43 AND X015 87 LD X000
10 ANI M204 44 ORB 88 OUT Y003
11 ANI M205 45 SFTL M200 89 左右低速信号
12 ANI M206 M201 90 OR Y003
13 ANI M207 K8 91 AND X000
14 AND X001 K1 92 OUT Y005
15 OUT M200 54 LDF M0 93 手动前进减速标志位
16 LD M200 56 ZRST M200 93 LDI X001
17 AND XOO4 61 LD M202 94 AND X017
18 LD M201 62 OUT T0 95 LD X007
19 AND X005 K10 96 OR M1
20 AND X012 65 LD M206 97 ANB
21 ORB 66 OUT T1 98 ANI X005
22 LD M202 K10 99 OUT M1
23 AND T0 69 左右正转信号 100 自动前进减速标志位
24 ORB 69 LD X017 101 LD M201
25 LD M203 70 ANI X001 102 OR M205
26 AND X006 71 LD M201 103 ANB
27 AND X001 72 OR M205 104 LD X007
28 AND X015 73 AND X001 105 OR M2
29 ORB 74 ORB 106 ANB
30 LD M204 75 OR Y002 107 ANI X005
31 AND X016 76 ANI X005 108 OUT M
32 ORB 77 AND X000 109 手动后退减速标志位
33 LD M205 78 OUT Y002 110 AND X020

111 LD X001 144 ANI XOO6 175 OR M5
112 OR M3 145 ORB 176 ANB
113 ANB 146 AND X000 177 ANI X011
114 ANI X006 147 OUT Y004 178 OUT M5
115 OUT M3 148 上下正转信号 179自动上升减速标志位
116 自动后退减速标志位 148 LD X002 180 LD M203
116 LD X001 149 ANI X001 181 OR M207
117 LD M203 150 LD M203 182 ANB
118 OR M207 151 OR M207 183 LD X013
119 ANB 152 AND X001 184 OR M6
120 LD X010 153 ORB 185 ANB
121 OR M4 154 OR Y006 186 ANI X011
122 ANB 155 ANI X011 187 OUT M6
123 ANI X006 156 AND X000 188 手动下降减速标志位
124 OUT M4 157 OUT Y006 188 LDI X001
125 LDI X001 158 上下反转信号 189 AND X022
126 AND X017 159 ANI X001 190 LD X014
127 ANI M1 160 LD M201 191 OR M7
128 LD X001 161 OR M205 192 ANB
129 LD M201 162 AND X001 193 ANI X012
130 OR M205 163 ORB 194 OUT M7
131 ANB 164 OR Y007 195 LD X001
132 ANI M2 165 ANI X012 196 LD M201
133 ORB 166 AND X000 197 OR M205
134 ANI X005 167 OUT Y007 198 ANB
135 LDI X001 168 上下低速信号 199 LD X014
136 AND X020 168 LD Y006 200 OR M8
137 ANI M3 169 OR Y007 201 ANB
138 LD X001 170 AND X000 202 ANI X012
139 LD M203 171 OUT Y011 203 OUT M8
140 OR M205 172 手动上升减速标志位 204 LDI X001
141 ANB 172 LDI X001 205 AND X021
142 ANI M4 173 AND X021 206 ANI M5
143 ORB 174 LD X013 207 LD X001

208 LD M203 240 LD X021 271 LD X026
209 OR M207 241 ANI X021 272 ANI X001
210 ANB 242 LD M204 273 LD M202
211 ANI M6 243 AND X001 274 AND X001
212 ORB 244 ORB 275 ORB
213 ANI X011 245 OR Y012 276 OR Y001
214 LDI X001 246 ANI X016 277 ANI M206
215 AND X002 247 AND X000 278 AND X000
216 ANI M7 248 OUT Y012 279 OUT Y001
217 LD X001 249 LD X022 280 END
218 LD M201 250 ANI X001
219 OR M205 251 LD M207
220 ANB 252 AND X001
221 ANI M8 253 ORB
222 ORB 254 OR Y013
223 ANI X012 255 ANI X015
224 ORB 256 AND X000
225 AND X000 257 OUT Y013
226 OUT Y010 258 基座低速信号
227 LDI X001 258 LD Y012
228 AND X023 259 OR Y013
229 OUT Y012 260 AND X000
230 上下正转信号 261 OUT Y014
230 LD X021 262 传送带电机
231 ANI X001 262 LD X025
232 LD M203 263 ANI X001
233 OR M207 264 LD M200
234 AND X001 265 AND X001
235 ORB 266 ORB
236 OR Y006 267 OR Y000
237 ANI X011 268 ANI M201
238 AND X000 269 AND X000
239 OUT Y006 270 OUT Y000
以上为具体的PLC程序。