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1、 物料搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng) PLC編程設(shè)計 課程名稱：可編程控制器原理及應(yīng)用 任課教師：馮治國老師 班級：機(jī)制102班 學(xué)號： 姓名： 設(shè)計題目及概述 （一）設(shè)計題目 如圖1所示為一簡易物料搬運(yùn)機(jī)械手的工藝流程圖。該機(jī)械手是一個水平 / 垂直位移的機(jī)械設(shè)備，其操作是將工件從左工作臺搬運(yùn)到右工作臺，由光耦合 器VLC來檢測工作臺上有沒有工件。機(jī)械手通常位于原點(diǎn)，它的動作全部由氣 缸驅(qū)動，而氣缸則由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，上升 /下降和左移/右移分別由雙 線圈二位電磁閥控制，放松/夾緊由一個單線圈二位電磁閥（稱為夾緊電磁閥 ＞控 制。 （二）設(shè)計概述 PLC控制系統(tǒng)

2、的設(shè)計包括3個重要的環(huán)節(jié)，其一是通過控制任務(wù)的分析, 確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；其二是根據(jù)控制要求確定硬件構(gòu)成方案；其三 是設(shè)計出滿足控制要求的應(yīng)用程序。 二、對設(shè)計任務(wù)的深入調(diào)查研究 （一）機(jī)械手的工作方式 此系統(tǒng)需要具備多種工作方式，如既能自動的循環(huán)運(yùn)行一個過程，也能進(jìn) 行手動操作運(yùn)行一個工作步等。常見的工作方式有聯(lián)系、單周期、單步和手動。 1.單周期方式 機(jī)械手在原位壓左限位開關(guān)和上限位開關(guān)。按一次操作按鈕機(jī)械手開始下 降，下降到左工位壓動下限位開關(guān)后自停；接著機(jī)械手夾緊工件后開始上升， 上升到原位壓動上限位開關(guān)后自停；接著機(jī)械手開始右行直至壓動右限位開關(guān) 開關(guān)后自停；接著機(jī)

3、械手下降，下降到右工位壓動下限位開關(guān) <兩個工位用一個 下限位開關(guān)）后自停；接著機(jī)械手放松工件后開始上升直至壓動上限位開關(guān)后 自停 < 兩個工位用一個上限位開關(guān)）；接著機(jī)械手開始左行直至壓動左限位開關(guān) 后自停。至此一個周期的動作結(jié)束，再按一次操作按鈕則開始下一個周期的運(yùn) 行。 2. 連續(xù)方式 啟動后機(jī)械手反復(fù)運(yùn)行上述每個周期的動作過程，即周期性連續(xù)運(yùn)行。 3. 單步方式 每按一次操作按鈕，機(jī)械手完成一個工作步。例如，按一次操作按鈕機(jī)械 手開始下降，下降到左限位壓動下限位開關(guān)自停，欲使之運(yùn)行下一個工作步， 必須再按一次操作按鈕等。 以上三種工作方式屬于自動控制方式。 4. 手動方式 按下

4、按鈕則機(jī)械手開始一個動作，松開按鈕則停止該動作。 （二） 對機(jī)械手每工作步的控制要求 1. 上升和下降 機(jī)械手上升和下降的動作都要到位，否則不能進(jìn)行下一個工作步。本題使 用上下限位開關(guān)進(jìn)行控制，上升和下降的動作用一個雙線圈的電磁閥控制。 2. 放松和夾緊 機(jī)械手夾緊和放松的動作必須在兩個下工位處進(jìn)行，且夾緊和放松的動作 都要到位。 為了確保夾緊和放松動作的可靠性，本例對夾緊和放松動作進(jìn)行定時，并 設(shè)置夾緊和放松指示。夾緊和放松動作由單線圈的電磁閥控制。 3. 左行和右行 自動方式時，機(jī)械手的左、右運(yùn)動必須在壓動上限位開關(guān)后才能進(jìn)行；機(jī) 械手的左 /右運(yùn)動都必須到位，以確保在左工位取到

5、工件并在右工位放下工件。 本題利用上限位開關(guān)、左限位開關(guān)和右限位開關(guān)進(jìn)行控制。左 /右行的動作由雙 線圈的電磁閥控制。 （三） 機(jī)械手工作流程 1. 對于手動控制方式 按照點(diǎn)動的方式進(jìn)行 ,手動控制按鈕有 "手動右移 "、"手動左移 "、 "手動前進(jìn) "、"手動后退 "、"手動上升 "、 "手動下降 "、"手動夾緊 "和 "手動松開 ",按下相應(yīng) 的按鈕 ,機(jī)械手分別執(zhí)行機(jī)械手臂 X 軸右移、 X 軸左移、 Y 軸前進(jìn)、 Y 軸后退、 Z 軸上升、 Z 軸下降、手爪夾緊、手爪松開動作。另外還有 "自動/手動 "按鈕,用 以選擇系統(tǒng)的控制方式 ,按下時為自動控制方式 ,未按下時為手動控制

6、方式。 2. 對于自動控制方式 按照時間推移具體動作順序如下 : （1＞等待接收工件到位信號。 （2＞橫軸移動至X1,豎軸下降至Z2,啟動夾緊。 (3＞機(jī)械手從流水線將工件取下。 (4＞豎軸上升至ZI,橫軸移動至X2,豎軸下降至Z2。 (5＞松開工件，機(jī)械手將工件放置到工作臺上。 (6＞豎軸上升，啟動工作，機(jī)械手進(jìn)行工作等待。 (7＞工作完成，信號置位。 (8＞豎軸下降，夾緊工件。 (9＞豎軸上升至ZI,橫軸移動X3,縱軸移動丫3,豎軸下降至Z2,松開工件。 (10＞豎軸上升,X回原點(diǎn)，丫回原點(diǎn)。 上述1-10為一個動作循環(huán)。 3.總結(jié) 在本文中用X軸表示橫軸,Z

7、軸表示豎軸。如此在 X軸上有XI、X2、X3三 個工位，在丫軸上有 Yl、Y2、Y3三個工位,在Z軸上有Z1和Z2兩個工位。 (四) 機(jī)械手實現(xiàn)功能 基于上述的控制耍求，本機(jī)械手控制系統(tǒng)實現(xiàn)下述功能： 機(jī)械手按手動和自動兩種方式動作：設(shè)計要求機(jī)械手可以通過手動和自動兩 種方式實現(xiàn)控制功能，在手動方式下，用點(diǎn)動的方式進(jìn)行機(jī)械手的移動控制，對應(yīng) 的控制按鈕在控制面板之上。在自動方式下，機(jī)械手根據(jù)編制的自動控制程序?qū)?現(xiàn)自動運(yùn)行，完成工件的抓取。 三、確定系統(tǒng)整體設(shè)計方案 在進(jìn)行程序的設(shè)計之前，先設(shè)計出應(yīng)用程序的總體方案如圖 2,圖中把整個程 序分成兩大塊，即手動和自動兩部分。 圖

8、2系統(tǒng)整體設(shè)計方案 四、確定輸入/輸出元件，選擇 PLC機(jī)型 本設(shè)計采用的PLC是三菱公司的FX2N系列 PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要由 CPU、存儲器、I/O接口電路、通信接口、擴(kuò)展接 口和電源等部分組成。其中,CPU是PLC的核心,I/O接口電路是連接現(xiàn)場設(shè)備與 CPU之間的橋梁，通信接口用于和外圍設(shè)備進(jìn)行連接 ，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示 CPU 圖3 PLC基本結(jié)構(gòu) 五、確定PLC的I/O分配 輸入方面分為手動控制和自動控制。按照機(jī)械手的控制要求 ，系統(tǒng)需要以下 輸入點(diǎn)，具體分配為:X軸原點(diǎn)信號、丫軸原點(diǎn)信號、停止、手動/自動選擇

9、、手 動左行、手動右行、手動前進(jìn)、手動后退、手動上升、手動下降、手動夾緊、 手動松開、XI位置、X2位置、X3位置、丫1位置、丫2位置、丫3位置、Z1位 置、Z2位置、伺服X-READY、伺服Y-READY、工件到位信號、工作結(jié)束。 系統(tǒng)需要輸出點(diǎn)具體分配為:X脈沖輸出、丫脈沖輸出、X方向控制、丫方向控 制、啟動準(zhǔn)備、伺服X報警、伺服丫報警、Z軸上升、Z軸下降、夾緊、工作 啟動、工作結(jié)束、機(jī)械手等待。 I/O分配如表1所示： 表1 I/O分配 輸入設(shè)備 對應(yīng)PLC輸入端口 輸出設(shè)備 對應(yīng)PLC輸出端口 X軸原點(diǎn)信號 X0 r x軸脈沖信號 Y0 丫軸原點(diǎn)信號 X1 丫

10、軸脈沖信號 丫1 停止 X2 X軸方向輸出 Y2 手動/自動 X3 丫軸方向輸出 Y3 手動左仃 X4 啟動準(zhǔn)備 Y4 手動右仃 X5 伺服XI警 Y5 手動前進(jìn) X6 伺服丫報警 Y6 手動后退 X7 r z軸上升 Y7 手動上升 X10 r z軸下降 Y10 手動下降 X11 —夾緊 Y11 手動夾緊 X12 r工作啟動 Y12 手動松開 X13 r工作結(jié)束 Y13 X1位置 X14 機(jī)械手等待 Y14 X2位置 X15 X3位置 X16 丫1位置 X17 丫2位

11、置 X20 丫3位置 X21 Z1位置 X22 Z2位置 X23 伺服 X-READY ' X24 伺服丫 -READY ' X25 工件到位信號 X26 工作結(jié)束 X27 六、設(shè)計應(yīng)用程序 （一）回原點(diǎn)的操作 系統(tǒng)初始時刻，需要對機(jī)械手進(jìn)行回原點(diǎn)操作。 在直線軌跡上選擇其中一個點(diǎn)作為參考點(diǎn)，從而得到一構(gòu)建坐標(biāo)系，對于實現(xiàn) 控制提供參考系。 在三菱的PLC中因為FX2N系列沒有專門的回原點(diǎn)指令，因此采用其PLSY 脈沖輸出指令進(jìn)行原點(diǎn)回歸操作。輸出端的 丫2控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向，通過

12、 實驗若通電時刻電機(jī)向原點(diǎn)的反方向運(yùn)動，則換置丫2的值,保證上電時刻電機(jī)向 著原點(diǎn)方向前進(jìn)。 系統(tǒng)在初始化執(zhí)行回原點(diǎn)程序后，機(jī)械手停在原點(diǎn) 回原點(diǎn)控制程序的流程圖如圖4所示 圖4回原點(diǎn)的程序 （二）手動運(yùn)行方式 1.運(yùn)行流程 當(dāng)選擇手動控制方式時,"手動/自動"按鈕不按下，此時系統(tǒng)的控制采用點(diǎn)動的 方式進(jìn)行，由各個對應(yīng)的手動操作按鈕來控制機(jī)械手的相應(yīng)動作。當(dāng)按鈕被按下 時,相應(yīng)的執(zhí)行元件動作，直到到達(dá)運(yùn)動的終點(diǎn)碰到行程開關(guān)或者按鈕松開。 手動的按鈕有"X軸左移"、"X軸右移"、"丫軸前進(jìn)"、"丫軸后退"、"Z軸上 升"、"Z軸下降"、"手動吸附"和"手動松開"。為保證系統(tǒng)的

13、安全運(yùn)行，在手動程 序中設(shè)置了必要的軟件聯(lián)鎖，以避免誤動作手動。如機(jī)械手只有在 Z軸的上限位 Z1處才能執(zhí)行X軸的左右移動和 Y軸的前后移動。因此在設(shè)計程序中加入了 豎梁的上限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)作為聯(lián)鎖，防止機(jī)械手在較低位置時移動與別的物 體發(fā)生碰撞，即當(dāng)Z1置位時，伺服電機(jī)才可以驅(qū)動X、Y軸進(jìn)行移動。 機(jī)械手的吸附放松動作由一個電磁閥控制，手動吸附按鈕按下時，PLC的Y11 輸出口置位，使得控制吸附動作的電磁闊 CY2-1得電,完成吸附動作。按下手動 松開按鈕時,PLC的Y11輸出口復(fù)位，對應(yīng)的電磁闊CY2-1失電，機(jī)械手氣動吸盤 松開。 手動控制程序的流程圖如圖5所示： 根

14、據(jù)上述流程圖的原則，設(shè)計手動操作程序。 2. X軸手動控制 當(dāng)對X軸進(jìn)行移動操作時，按下控制面板上的"手動左移"或者"手動右移"按 鈕，機(jī)械手臂執(zhí)行左右移動動作。 圖6為X軸手動控制的梯形圖。 wr- =(XH 卄 XOQO -K- XOO? X

15、軸的移動相似，只是脈沖輸出口變 為丫1,方向控制輸出為丫3。對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器變?yōu)?D10和D11，方向丫3置位時 為后退方向，復(fù)位時為前進(jìn)方向，手動前進(jìn)的程序如圖8所示。 xcoe 5CC1 XW2 W7 iW YDQ7 比】 II —— W—HK——i^—i^———融 M22 誼 亠Tf 壞 X0G3 SOO? XDO1 T?——11—— YGQ3 ] PJO ] X002 g W06 Y& 茂 Y007 1C： * [ I————子 *——W—農(nóng) ｛規(guī) YO33 KeDO D10 31T } 今 > ] ] ] 圖8 Y軸手動移

16、動程序 在執(zhí)行丫軸的移動時，同樣需要執(zhí)行在丫軸回原點(diǎn)過程中用到的PLSY指令, 如圖9所示。 I I U4 I 卜「|卜「 轉(zhuǎn) EM DU YOGI ] 圖9 X軸的PLSY指令 4. Z軸手動控制 對于Z軸氣缸的上升和下降控制，程序如圖10所示。 MNW XO1D 皿需 XDf2 \011 JCI 1C2 M?3 JtJ [ “*—H I——折——井——嬌——tK——折——折—— 同 9 iH10 話亡 〉??X C1W7 ) .N0O3 xon XD23 XDO2 XD10 M?1 1C2 瓷 3 JC* 一^——I j——打——開——沖Tf——打—甘一滬卞 9

17、YOC7 衛(wèi) 即淚 〉 圖10 Z軸手動移動程序 5.夾緊和松開控制 手動夾緊和松開的程序如圖11 圖11吸附和放松手動控制程序 按照上述的手動操作，可以按動相應(yīng)的按鈕，以點(diǎn)動的方式對機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng) 的操作，完成手動控制功能。 (三) 自動運(yùn)行方式 1. 誤操作的禁止 自動方式 < 連續(xù)、單周期、單步)時，按一次操作按鈕自動運(yùn)行方式開始， 此后再按操作按鈕屬于錯誤操作，程序?qū)﹀e誤操作不予響應(yīng)。 另外，當(dāng)機(jī)械手到達(dá)右工位上方時，下一個工作步就是下降。為了確保在 右工位沒有工件時才能開始下降，應(yīng)在右工位設(shè)置有無工件檢測裝置。本題使 用光耦合器VLC來檢測工作臺上有沒有

18、工件。 根據(jù)上述控制要求，操作盤上要設(shè)置：一個 PLC的電源開關(guān) <不占輸入 點(diǎn))；一個工作方式選擇開關(guān)和一個動作方式選擇開關(guān)，通過這兩個開關(guān)選擇 工作方式和動作方式；操作按鈕和停車按鈕各一個。 2. 運(yùn)行流程 自動操作程序是指系統(tǒng)從初始步開始按照周期反復(fù)地連續(xù)工作。 根據(jù)機(jī)械手的動作要求，先確定自動控制的順序功能圖，再根據(jù)順序功能圖進(jìn) 行程序的設(shè)計。 自動控制程序的詳細(xì)動作時序圖如下所示： (1) 機(jī)械手停原點(diǎn)，等待流水線工件到位信號。 (2) 工件到位信號上升沿。 (3) X軸移動至XI, Y軸移動至Yl, Z軸下降至Z2。 (4) 吸附工件,延時2S,工件在流水線上被

19、抓??； (5) Z軸上升至Zl, X軸移動至X2, Y軸移動至Y2。 (6) Z軸下降至Z2,釋放工件，延時2S,工件放于拋光機(jī)之上。 (7) 拋光啟動。 (8) 拋光等待。 (9) 拋光完成信號上升沿。 (10) Z軸下降至Z2,吸附工件，延時2S。 (11) Z軸上升至Zl, X軸移動到X3, Y軸移動到Y(jié)3。 (12) Z軸下降至Z2,釋放工件，延時2S,工件放亍裝箱機(jī)之上。 (13) Z軸上升至Zl, X軸回原點(diǎn)、丫軸回原點(diǎn)。 (14) 等待流水線工件到位信號。 以上1-14形成一個循環(huán)，為自動控制程序的一個周期，在自動化生產(chǎn)線上，按 照此種方式周而復(fù)始地進(jìn)行工件

20、的拋光和裝箱動作，直到PLC停機(jī)或者按下停止 按鈕。 圖12所示為自動程序的流程圖。 按照此程序流程圖 ,設(shè)計機(jī)械手的自動操作程序 ,可實現(xiàn)機(jī)械手按照自動方式 運(yùn)行。 在每收到光電信號的輸入時 ,程序?qū)⑿枰苿拥臄?shù)值放入數(shù)據(jù)寄存器中 ,在對 應(yīng)的子程序中 ,實現(xiàn)寄存器的加減運(yùn)算 ,達(dá)到伺服電機(jī)的控制效果。 洞s it時占 炳也I 并光糙克 > 圖11自動控制流程圖 Z0ZI ￥四凰總 [ 工回石點(diǎn) | 6

21、 七、 調(diào)試應(yīng)用程序 對編好的程序，可以先利用模擬實驗板模擬現(xiàn)場信號進(jìn)行初步的調(diào)試。經(jīng) 反復(fù)調(diào)試修改后，使程序基本滿足控制要求。 八、 制作電氣控制柜和控制盤 在系統(tǒng)硬件構(gòu)成方案確定之后，可以考慮電氣控制柜及控制盤 ＜或稱操作盤） 的設(shè)計和制作。在動手制作之前，要畫出電氣控制主電路電路圖。在控制主回 路時，要全面地考慮各種保護(hù)和連鎖等問題。在控制柜布置和敷線時，要采取 有效的措施抑制各種干擾信號，同時注意防塵、防靜電、防雷電等問題。 九、 聯(lián)機(jī)調(diào)試程序 聯(lián)機(jī)調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實際問題和不足，通過

22、調(diào)試和修改后，使程 序完全符合控制要求。調(diào)試前要制定周密的調(diào)試計劃，以免因為工作的盲目性 而隱藏了應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的問題。另外，程序調(diào)試完畢必須經(jīng)過一定時間運(yùn)行實踐的 考驗，才能確定程序是否達(dá)到控制要求。 十、 編寫技術(shù)文件 這部分工作包括整理程序清單并保存程序，編寫元件明細(xì)表，繪制電氣原 理圖及主回路電路圖，整理相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，編寫控制程序系統(tǒng)說明書等。 總結(jié) 本文對 PLC 控制的物料機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。以 PLC 為主控制器實現(xiàn)了機(jī)械手的自動化操作。 但是因為時間和其他客觀條件的限制，仍存在一些不足。本次 設(shè)計更多的是理論層次的研究 , 設(shè)計的任務(wù)之一是針對機(jī)械手換向回 路編寫PLC控制程序，因為對PLC指令系統(tǒng)不熟悉和梯形圖程序的編 寫也不是很熟練 , 編寫程序的過程中遇到很大困難 , 也做了很多的參 考，比如之前參照設(shè)計了幾套程序 , 后來都一一被否定。 今后應(yīng)加大PLC控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)，這樣才能使設(shè) 計的PLC和觸摸屏程序更加完善和可靠