1、物料搬运机械手系统plc设计

物料搬运机械手系统

PLC编程设计

课程名称：可编程控制器原理及应用 任课教师：冯治国老师 班级：机制102班 学号： 姓名：

一、

设计题目及概述

(一) 设计题目

如图1所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作台，由光耦合器VLC来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀(称为夹紧电磁阀>控制。

图1 简易物料搬运机械手

(二) 设计概述

PLC控制系统的设计包括3个重要的环节，其一是通过控制任务的分析，确定控制系统的总体设计方案；其二是根据控制要求确定硬件构成方案；其三是设计出满足控制要求的应用程序。 二、 对设计任务的深入调查研究

(一) 机械手的工作方式

此系统需要具备多种工作方式，如既能自动的循环运行一个过程，也能进行手动操作运行一个工作步等。常见的工作方式有联系、单周期、单步和手动。 1. 单周期方式

机械手在原位压左限位开关和上限位开关。按一次操作按钮机械手开始下降，下降到左工位压动下限位开关后自停；接着机械手夹紧工件后开始上升，上升到原位压动上限位开关后自停；接着机械手开始右行直至压动右限位开关开关后自停；接着机械手下降，下降到右工位压动下限位开关<两个工位用一个下限位开关）后自停；接着机械手放松工件后开始上升直至压动上限位开关后自停<两个工位用一个上限位开关）；接着机械手开始左行直至压动左限位开关

后自停。至此一个周期的动作结束，再按一次操作按钮则开始下一个周期的运行。 2. 连续方式

启动后机械手反复运行上述每个周期的动作过程，即周期性连续运行。 3. 单步方式

每按一次操作按钮，机械手完成一个工作步。例如，按一次操作按钮机械手开始下降，下降到左限位压动下限位开关自停，欲使之运行下一个工作步，必须再按一次操作按钮等。 以上三种工作方式属于自动控制方式。 4. 手动方式

按下按钮则机械手开始一个动作，松开按钮则停止该动作。

(二) 对机械手每工作步的控制要求

1. 上升和下降

机械手上升和下降的动作都要到位，否则不能进行下一个工作步。本题使用上下限位开关进行控制，上升和下降的动作用一个双线圈的电磁阀控制。 2. 放松和夹紧

机械手夹紧和放松的动作必须在两个下工位处进行，且夹紧和放松的动作都要到位。

为了确保夹紧和放松动作的可靠性，本例对夹紧和放松动作进行定时，并设置夹紧和放松指示。夹紧和放松动作由单线圈的电磁阀控制。 3. 左行和右行

自动方式时，机械手的左、右运动必须在压动上限位开关后才能进行；机械手的左/右运动都必须到位，以确保在左工位取到工件并在右工位放下工件。本题利用上限位开关、左限位开关和右限位开关进行控制。左/右行的动作由双线圈的电磁阀控制。 (三) 机械手工作流程

1. 对于手动控制方式

按照点动的方式进行,手动控制按钮有\"手动右移\"、\"手动左移\"、\"手动前进\"、\"手动后退\"、\"手动上升\"、\"手动下降\"、\"手动夹紧\"和\"手动松开\按下相应的按钮,机械手分别执行机械手臂X轴右移、X轴左移、Y轴前进、Y轴后退、Z轴上升、Z轴下降、手爪夹紧、手爪松开动作。另外还有\"自动/手动\"按钮,用以选择系统的控制方式,按下时为自动控制方式,未按下时为手动控制方式。 2. 对于自动控制方式

按照时间推移具体动作顺序如下: (1>等待接收工件到位信号。

(2>横轴移动至X1,竖轴下降至Z2,启动夹紧。 (3>机械手从流水线将工件取下。

(4>竖轴上升至Zl,横轴移动至X2,竖轴下降至Z2。 (5>松开工件,机械手将工件放置到工作台上。 (6>竖轴上升,启动工作,机械手进行工作等待。 (7>工作完成，信号置位。 (8>竖轴下降,夹紧工件。

(9>竖轴上升至Zl,横轴移动X3,纵轴移动Y3,竖轴下降至Z2,松开工件。 (10>竖轴上升,X回原点,Y回原点。 上述1-10为一个动作循环。 3. 总结

在本文中用X轴表示横轴,Z轴表示竖轴。如此在X轴上有X1、X2、X3三个工位,在Y轴上有Yl、Y2、Y3三个工位,在Z轴上有Z1和Z2两个工位。 (四) 机械手实现功能

基于上述的控制耍求,本机械手控制系统实现下述功能:

机械手按手动和自动两种方式动作:设计要求机械手可以通过手动和自动两种方式实现控制功能,在手动方式下,用点动的方式进行机械手的移动控制,对应

的控制按钮在控制面板之上。在自动方式下,机械手根据编制的自动控制程序实现自动运行,完成工件的抓取。 三、 确定系统整体设计方案

在进行程序的设计之前,先设计出应用程序的总体方案如图2,图中把整个程序分成两大块,即手动和自动两部分。

图2系统整体设计方案

四、 确定输入/输出元件，选择PLC机型

本设计采用的PLC是三菱公司的FX2N系列。

PLC的硬件结构主要由CPU、存储器、I/O接口电路、通信接口、扩展接口和电源等部分组成。其中,CPU是PLC的核心,I/O接口电路是连接现场设备与CPU之间的桥梁,通信接口用于和外围设备进行连接,基本结构如图3所示。

图3 PLC基本结构

五、 确定PLC的I/O分配

输入方面分为手动控制和自动控制。按照机械手的控制要求,系统需要以下输入点,具体分配为:X轴原点信号、Y轴原点信号、停止、手动/自动选择、手动左行、手动右行、手动前进、手动后退、手动上升、手动下降、手动夹紧、手动松开、XI位置、X2位置、X3位置、Y1位置、Y2位置、Y3位置、Z1位置、Z2位置、伺服X-READY、伺服Y-READY、工件到位信号、工作结束。系统需要输出点具体分配为:X脉冲输出、Y脉冲输出、X方向控制、Y方向控制、启动准备、伺服X报警、伺服Y报警、Z轴上升、Z轴下降、夹紧、工作启动、工作结束、机械手等待。 I/O分配如表1所示：

表1 I/O分配

输入设备X轴原点信号Y轴原点信号停止手动/自动手动左行手动右行手动前进手动后退手动上升手动下降手动夹紧手动松开X1位置X2位置X3位置Y1位置Y2位置Y3位置Z1位置Z2位置伺服X-READY伺服Y-READY工件到位信号工作结束对应PLC输入端口X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15X16X17X20X21X22X23X24X25X26X27输出设备对应PLC输出端口X轴脉冲信号Y0Y轴脉冲信号Y1X轴方向输出Y2Y轴方向输出Y3启动准备Y4伺服X报警Y5伺服Y报警Y6Z轴上升Y7Z轴下降Y10夹紧Y11工作启动Y12工作结束Y13机械手等待Y14 六、 设计应用程序

(一) 回原点的操作

系统初始时刻,需要对机械手进行回原点操作。

在直线轨迹上选择其中一个点作为参考点,从而得到一构建坐标系,对于实现

控制提供参考系。

在三菱的PLC中,由于FX2N系列没有专门的回原点指令,因此采用其PLSY脉冲输出指令进行原点回归操作。输出端的Y2控制伺服电机转动的方向,通过

实验,若通电时刻电机向原点的反方向运动,则换置Y2的值,保证上电时刻电机向着原点方向前进。 系统在初始化执行回原点程序后,机械手停在原点。 回原点控制程序的流程图如图4所示

图4 回原点的程序

(二) 手动运行方式

1. 运行流程

当选择手动控制方式时,\"手动/自动\"按钮不按下,此时系统的控制采用点动的方式进行,由各个对应的手动操作按钮来控制机械手的相应动作。当按钮被按下时,相应的执行元件动作,直到到达运动的终点碰到行程开关或者按钮松开。 手动的按钮有\"X轴左移\"、\"X轴右移\"、\"Y轴前进\"、\"Y轴后退\"、\"Z轴上升\"、\"Z轴下降\"、\"手动吸附\"和\"手动松开\"。为保证系统的安全运行,在手动程序中设置了必要的软件联锁,以避免误动作手动。如机械手只有在Z轴的上限位Z1处才能执行X轴的左右移动和Y轴的前后移动。因此在设计程序中加入了

竖梁的上限位开关的常开触点作为联锁,防止机械手在较低位置时移动与别的物体发生碰撞,即当Z1置位时,伺服电机才可以驱动X、Y轴进行移动。 机械手的吸附放松动作由一个电磁阀控制,手动吸附按钮按下时,PLC的Y11输出口置位,使得控制吸附动作的电磁阔CY2-1得电,完成吸附动作。按下手动松开按钮时,PLC的Y11输出口复位,对应的电磁阔CY2-1失电,机械手气动吸盘松开。 手动控制程序的流程图如图5所示：

图5 手动控制程序流程图

根据上述流程图的原则,设计手动操作程序。 2. X轴手动控制

当对X轴进行移动操作时,按下控制面板上的\"手动左移\"或者\"手动右移\"按钮,机械手臂执行左右移动动作。

图6为X轴手动控制的梯形图。

图6 X轴手动控制的梯形图

对于X轴移动,对应的辅助继电器M3置位,执行在回原点程序中已用到的PLSY指令。如图7所示：

图7X轴的PLSY指令

3. Y轴手动控制

对于Y轴的前进和后退,其基本原理与X轴的移动相似,只是脉冲输出口变为Yl,方向控制输出为Y3。对应的数据寄存器变为D10和D11,方向Y3置位时为后退方向,复位时为前进方向,手动前进的程序如图8所示。

图8 Y轴手动移动程序

在执行Y轴的移动时,同样需要执行在Y轴回原点过程中用到的PLSY指令,如图9所示。

图9 X轴的PLSY指令

4. Z轴手动控制

对于Z轴气缸的上升和下降控制,程序如图10所示。

图10 Z轴手动移动程序

5. 夹紧和松开控制

手动夹紧和松开的程序如图11。

图11 吸附和放松手动控制程序

按照上述的手动操作,可以按动相应的按钮,以点动的方式对机械手进行相应的操作,完成手动控制功能。

(三) 自动运行方式

1. 误操作的禁止

自动方式<连续、单周期、单步）时，按一次操作按钮自动运行方式开始，此后再按操作按钮属于错误操作，程序对错误操作不予响应。 另外，当机械手到达右工位上方时，下一个工作步就是下降。为了确保在右工位没有工件时才能开始下降，应在右工位设置有无工件检测装置。本题使用光耦合器VLC来检测工作台上有没有工件。 根据上述控制要求，操作盘上要设置：一个PLC的电源开关<不占输入点）；一个工作方式选择开关和一个动作方式选择开关，通过这两个开关选择工作方式和动作方式；操作按钮和停车按钮各一个。 2. 运行流程

自动操作程序是指系统从初始步开始按照周期反复地连续工作。

根据机械手的动作要求,先确定自动控制的顺序功能图,再根据顺序功能图进行程序的设计。

自动控制程序的详细动作时序图如下所示: (1) 机械手停原点,等待流水线工件到位信号。 (2) 工件到位信号上升沿。

(3) X轴移动至XI, Y轴移动至Yl, Z轴下降至Z2。 (4) 吸附工件,延时2S,工件在流水线上被抓取； (5) Z轴上升至Zl, X轴移动至X2, Y轴移动至Y2。 (6) Z轴下降至Z2,释放工件,延时2S,工件放于抛光机之上。 (7) 抛光启动。 (8) 抛光等待。

(9) 抛光完成信号上升沿。

(10) Z轴下降至Z2,吸附工件,延时2S。

(11) Z轴上升至Zl, X轴移动到X3, Y轴移动到Y3。 (12) Z轴下降至Z2,释放工件,延时2S,工件放亍装箱机之上。 (13) Z轴上升至Zl, X轴回原点、Y轴回原点。 (14) 等待流水线工件到位信号。

以上1-14形成一个循环,为自动控制程序的一个周期,在自动化生产线上,按照此种方式周而复始地进行工件的抛光和装箱动作,直到PLC停机或者按下停止按钮。 图12所示为自动程序的流程图。

按照此程序流程图,设计机械手的自动操作程序,可实现机械手按照自动方式运行。

在每收到光电信号的输入时,程序将需要移动的数值放入数据寄存器中,在对应的子程序中,实现寄存器的加减运算,达到伺服电机的控制效果。 11 自动控制流程图

图

七、 调试应用程序

对编好的程序，可以先利用模拟实验板模拟现场信号进行初步的调试。经反复调试修改后，使程序基本满足控制要求。 八、 制作电气控制柜和控制盘

在系统硬件构成方案确定之后，可以考虑电气控制柜及控制盘<或称操作盘）的设计和制作。在动手制作之前，要画出电气控制主电路电路图。在控制主回路时，要全面地考虑各种保护和连锁等问题。在控制柜布置和敷线时，要采取有效的措施抑制各种干扰信号，同时注意防尘、防静电、防雷电等问题。 九、 联机调试程序

联机调试可以发现程序存在的实际问题和不足，通过调试和修改后，使程序完全符合控制要求。调试前要制定周密的调试计划，以免由于工作的盲目性而隐藏了应该发现的问题。另外，程序调试完毕必须经过一定时间运行实践的考验，才能确定程序是否达到控制要求。 十、 编写技术文件

这部分工作包括整理程序清单并保存程序，编写元件明细表，绘制电气原理图及主回路电路图，整理相关的技术参数，编写控制程序系统说明书等。 总结

本文对PLC控制的物料机械手的控制系统进行了设计。以 PLC 为主控制器实现了机械手的自动化操作。

但是由于时间和其他客观条件的限制，仍存在一些不足。本次设计更多的是理论层次的研究,设计的任务之一是针对机械手换向回路编写PLC控制程序,由于对PLC指令系统不熟悉和梯形图程序的编写也不是很熟练,编写程序的过程中遇到很大困难,也做了很多的参

考，比如之前参照设计了几套程序,后来都一一被否定。 今后应加大PLC控制系统的学习和加强实践环节,这样才能使设计的PLC和触摸屏程序更加完善和可靠。