物料搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)PLC編程設(shè)計(jì)課程名稱：可編程控制器原理及應(yīng)用任課教師：馮治國(guó)老師班級(jí)：機(jī)制102班學(xué)號(hào)：姓名：設(shè)計(jì)題目及概述（一）設(shè)計(jì)題目如圖1所示為一簡(jiǎn)易物料搬運(yùn)機(jī)械手的工藝流程圖。該機(jī)械手是一個(gè)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(tái)搬運(yùn)到右工作臺(tái)，由光耦合 器VLC來檢測(cè)工作臺(tái)上有沒有工件。機(jī)械手通常位于原點(diǎn)，它的動(dòng)作全部由氣 缸驅(qū)動(dòng)，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(gè)單線圈二位電磁閥（稱為夾緊電磁閥 控 制。（二）設(shè)計(jì)概述PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括3個(gè)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(jì)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(jì)出滿足控制要求的應(yīng)用程序。二、對(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)的循環(huán)運(yùn)行一個(gè)過程，也能進(jìn) 行手動(dòng)操作運(yùn)行一個(gè)工作步等。常見的工作方式有聯(lián)系、單周期、單步和手動(dòng)。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(dòng)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(dòng)上限位開關(guān)后自停；接著機(jī)械手開始右行直至壓動(dòng)右限位開關(guān) 開關(guān)后自停；接著機(jī)械手下降，下降到右工位壓動(dòng)下限位開關(guān) <兩個(gè)工位用一個(gè) 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(dòng)上限位開關(guān)后 自停 < 兩個(gè)工位用一個(gè)上限位開關(guān)）；接著機(jī)械手開始左行直至壓動(dòng)左限位開關(guān) 后自停。至此一個(gè)周期的動(dòng)作結(jié)束，再按一次操作按鈕則開始下一個(gè)周期的運(yùn) 行。2. 連續(xù)方式 啟動(dòng)后機(jī)械手反復(fù)運(yùn)行上述每個(gè)周期的動(dòng)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(gè)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(dòng)下限位開關(guān)自停，欲使之運(yùn)行下一個(gè)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(dòng)控制方式。4. 手動(dòng)方式 按下按鈕則機(jī)械手開始一個(gè)動(dòng)作，松開按鈕則停止該動(dòng)作。（二）對(duì)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(dòng)作都要到位，否則不能進(jìn)行下一個(gè)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(dòng)作用一個(gè)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(dòng)作必須在兩個(gè)下工位處進(jìn)行，且夾緊和放松的動(dòng)作 都要到位。為了確保夾緊和放松動(dòng)作的可靠性，本例對(duì)夾緊和放松動(dòng)作進(jìn)行定時(shí)，并 設(shè)置夾緊和放松指示。夾緊和放松動(dòng)作由單線圈的電磁閥控制。3. 左行和右行 自動(dòng)方式時(shí)，機(jī)械手的左、右運(yùn)動(dòng)必須在壓動(dòng)上限位開關(guān)后才能進(jìn)行；機(jī) 械手的左 /右運(yùn)動(dòng)都必須到位，以確保在左工位取到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(dòng)作由雙線圈的電磁閥控制。（三）機(jī)械手工作流程1. 對(duì)于手動(dòng)控制方式按照點(diǎn)動(dòng)的方式進(jìn)行 ,手動(dòng)控制按鈕有 "手動(dòng)右移 "、"手動(dòng)左移 "、 "手動(dòng)前進(jìn) "、"手動(dòng)后退 "、"手動(dòng)上升 "、 "手動(dòng)下降 "、"手動(dòng)夾緊 "和 "手動(dòng)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(dòng)作。另外還有 "自動(dòng)/手動(dòng) "按鈕,用 以選擇系統(tǒng)的控制方式 ,按下時(shí)為自動(dòng)控制方式 ,未按下時(shí)為手動(dòng)控制方式。2. 對(duì)于自動(dòng)控制方式按照時(shí)間推移具體動(dòng)作順序如下 :（1等待接收工件到位信號(hào)。（2橫軸移動(dòng)至X1,豎軸下降至Z2,啟動(dòng)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(dòng)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(tái)上。(6豎軸上升，啟動(dòng)工作，機(jī)械手進(jìn)行工作等待。(7工作完成，信號(hào)置位。(8豎軸下降，夾緊工件。(9豎軸上升至ZI,橫軸移動(dòng)X3,縱軸移動(dòng)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(gè)動(dòng)作循環(huán)。3.總結(jié)在本文中用X軸表示橫軸,Z軸表示豎軸。如此在 X軸上有XI、X2、X3三 個(gè)工位，在丫軸上有 Yl、Y2、Y3三個(gè)工位,在Z軸上有Z1和Z2兩個(gè)工位。(四) 機(jī)械手實(shí)現(xiàn)功能基于上述的控制耍求，本機(jī)械手控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下述功能：機(jī)械手按手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式動(dòng)作：設(shè)計(jì)要求機(jī)械手可以通過手動(dòng)和自動(dòng)兩 種方式實(shí)現(xiàn)控制功能，在手動(dòng)方式下，用點(diǎn)動(dòng)的方式進(jìn)行機(jī)械手的移動(dòng)控制，對(duì)應(yīng) 的控制按鈕在控制面板之上。在自動(dòng)方式下，機(jī)械手根據(jù)編制的自動(dòng)控制程序?qū)?現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，完成工件的抓取。三、確定系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案在進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)之前，先設(shè)計(jì)出應(yīng)用程序的總體方案如圖2,圖中把整個(gè)程序分成兩大塊，即手動(dòng)和自動(dòng)兩部分。圖2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案四、確定輸入/輸出元件，選擇 PLC機(jī)型本設(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǎng)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(dòng)控制和自動(dòng)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(hào)、丫軸原點(diǎn)信號(hào)、停止、手動(dòng)/自動(dòng)選擇、手 動(dòng)左行、手動(dòng)右行、手動(dòng)前進(jìn)、手動(dòng)后退、手動(dòng)上升、手動(dòng)下降、手動(dòng)夾緊、 手動(dòng)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(hào)、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(dòng)準(zhǔn)備、伺服X報(bào)警、伺服丫報(bào)警、Z軸上升、Z軸下降、夾緊、工作 啟動(dòng)、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(duì)應(yīng)PLC輸入端口輸出設(shè)備對(duì)應(yīng)PLC輸出端口X軸原點(diǎn)信號(hào)X0r x軸脈沖信號(hào)Y0丫軸原點(diǎn)信號(hào)X1丫軸脈沖信號(hào)丫1停止X2X軸方向輸出Y2手動(dòng)/自動(dòng)X3丫軸方向輸出Y3手動(dòng)左仃X4啟動(dòng)準(zhǔn)備Y4手動(dòng)右仃X5伺服XI警Y5手動(dòng)前進(jìn)X6伺服丫報(bào)警Y6手動(dòng)后退X7r z軸上升Y7手動(dòng)上升X10r z軸下降Y10手動(dòng)下降X11夾緊Y11手動(dòng)夾緊X12r工作啟動(dòng)Y12手動(dòng)松開X13r工作結(jié)束Y13X1位置X14機(jī)械手等待Y14X2位置X15X3位置X16丫1位置X17丫2位置X20丫3位置X21Z1位置X22Z2位置X23伺服 X-READY'X24伺服丫 -READY'X25工件到位信號(hào)X26工作結(jié)束X27六、設(shè)計(jì)應(yīng)用程序（一）回原點(diǎn)的操作系統(tǒng)初始時(shí)刻，需要對(duì)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(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，從而得到一構(gòu)建坐標(biāo)系，對(duì)于實(shí)現(xiàn) 控制提供參考系。在三菱的PLC中因?yàn)镕X2N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(dòng)的方向，通過實(shí)驗(yàn)若通電時(shí)刻電機(jī)向原點(diǎn)的反方向運(yùn)動(dòng)，則換置丫2的值,保證上電時(shí)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(dòng)運(yùn)行方式1.運(yùn)行流程當(dāng)選擇手動(dòng)控制方式時(shí),"手動(dòng)/自動(dòng)"按鈕不按下，此時(shí)系統(tǒng)的控制采用點(diǎn)動(dòng)的 方式進(jìn)行，由各個(gè)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕來控制機(jī)械手的相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)按鈕被按下 時(shí),相應(yīng)的執(zhí)行元件動(dòng)作，直到到達(dá)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)碰到行程開關(guān)或者按鈕松開。手動(dòng)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(dòng)吸附"和"手動(dòng)松開"。為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在手動(dòng)程 序中設(shè)置了必要的軟件聯(lián)鎖，以避免誤動(dòng)作手動(dòng)。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(dòng)和 Y軸的前后移動(dòng)。因此在設(shè)計(jì)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(shí)移動(dòng)與別的物 體發(fā)生碰撞，即當(dāng)Z1置位時(shí)，伺服電機(jī)才可以驅(qū)動(dòng)X、Y軸進(jìn)行移動(dòng)。機(jī)械手的吸附放松動(dòng)作由一個(gè)電磁閥控制，手動(dòng)吸附按鈕按下時(shí)，PLC的Y11 輸出口置位，使得控制吸附動(dòng)作的電磁闊CY2-1得電,完成吸附動(dòng)作。按下手動(dòng)松開按鈕時(shí),PLC的Y11輸出口復(fù)位，對(duì)應(yīng)的電磁闊CY2-1失電，機(jī)械手氣動(dòng)吸盤 松開。手動(dòng)控制程序的流程圖如圖5所示：根據(jù)上述流程圖的原則，設(shè)計(jì)手動(dòng)操作程序。2. X軸手動(dòng)控制當(dāng)對(duì)X軸進(jìn)行移動(dòng)操作時(shí)，按下控制面板上的"手動(dòng)左移"或者"手動(dòng)右移"按 鈕，機(jī)械手臂執(zhí)行左右移動(dòng)動(dòng)作。圖6為X軸手動(dòng)控制的梯形圖。wr-=(XH卄XOQO-K-XOO?X<X)5-K-iWYQ07let時(shí)-X022HH-K-YOD；(UOYK&00yovKO3D圖6 X軸手動(dòng)控制的梯形圖對(duì)于X軸移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的輔助繼電器 M3置位，執(zhí)行在回原點(diǎn)程序中已用到的3. Y軸手動(dòng)控制對(duì)于丫軸的前進(jìn)和后退，其基本原理與X軸的移動(dòng)相似，只是脈沖輸出口變 為丫1,方向控制輸出為丫3。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器變?yōu)?D10和D11，方向丫3置位時(shí) 為后退方向，復(fù)位時(shí)為前進(jìn)方向，手動(dòng)前進(jìn)的程序如圖8所示。xcoe 5CC1 XW2W7 iW YDQ7 比】IIWHKii融M22誼亠Tf壞X0G3 SOO? XDO1T?11YGQ3PJOX002 g W06Y& 茂Y0071C：* I子*W農(nóng)規(guī)YO33KeDOD1031T今>圖8 Y軸手動(dòng)移動(dòng)程序在執(zhí)行丫軸的移動(dòng)時(shí)，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 U4I卜|卜轉(zhuǎn) EM DUYOGI 圖9 X軸的PLSY指令4. Z軸手動(dòng)控制對(duì)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 1C2M?3 JtJ“*H I折井嬌tK折折同 9iH10話亡XC1W7 ).N0O3 xon XD23 XDO2 XD10 M?11C2瓷 3JC*一I j打開沖Tf打甘一滬卞9YOC7衛(wèi)即淚 圖10 Z軸手動(dòng)移動(dòng)程序5.夾緊和松開控制手動(dòng)夾緊和松開的程序如圖11圖11吸附和放松手動(dòng)控制程序按照上述的手動(dòng)操作，可以按動(dòng)相應(yīng)的按鈕，以點(diǎn)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng) 的操作，完成手動(dòng)控制功能。(三) 自動(dòng)運(yùn)行方式1. 誤操作的禁止自動(dòng)方式 < 連續(xù)、單周期、單步)時(shí)，按一次操作按鈕自動(dòng)運(yùn)行方式開始， 此后再按操作按鈕屬于錯(cuò)誤操作，程序?qū)﹀e(cuò)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(shí)，下一個(gè)工作步就是下降。為了確保在 右工位沒有工件時(shí)才能開始下降，應(yīng)在右工位設(shè)置有無工件檢測(cè)裝置。本題使 用光耦合器VLC來檢測(cè)工作臺(tái)上有沒有工件。根據(jù)上述控制要求，操作盤上要設(shè)置：一個(gè)PLC的電源開關(guān) <不占輸入點(diǎn))；一個(gè)工作方式選擇開關(guān)和一個(gè)動(dòng)作方式選擇開關(guān)，通過這兩個(gè)開關(guān)選擇 工作方式和動(dòng)作方式；操作按鈕和停車按鈕各一個(gè)。2. 運(yùn)行流程自動(dòng)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(dòng)作要求，先確定自動(dòng)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(jì)。自動(dòng)控制程序的詳細(xì)動(dòng)作時(shí)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(hào)。(2) 工件到位信號(hào)上升沿。(3) X軸移動(dòng)至XI, Y軸移動(dòng)至Yl, Z軸下降至Z2。(4) 吸附工件,延時(shí)2S,工件在流水線上被抓??；(5) Z軸上升至Zl, X軸移動(dòng)至X2, Y軸移動(dòng)至Y2。(6) Z軸下降至Z2,釋放工件，延時(shí)2S,工件放于拋光機(jī)之上。(7) 拋光啟動(dòng)。(8) 拋光等待。(9) 拋光完成信號(hào)上升沿。(10) Z軸下降至Z2,吸附工件，延時(shí)2S。(11) Z軸上升至Zl, X軸移動(dòng)到X3, Y軸移動(dòng)到Y(jié)3。(12) Z軸下降至Z2,釋放工件，延時(shí)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(hào)。以上1-14形成一個(gè)循環(huán)，為自動(dòng)控制程序的一個(gè)周期，在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，按 照此種方式周而復(fù)始地進(jìn)行工件的拋光和裝箱動(dòng)作，直到PLC停機(jī)或者按下停止 按鈕。圖12所示為自動(dòng)程序的流程圖。按照此程序流程圖 ,設(shè)計(jì)機(jī)械手的自動(dòng)操作程序 ,可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手按照自動(dòng)方式 運(yùn)行。在每收到光電信號(hào)的輸入時(shí) ,程序?qū)⑿枰苿?dòng)的數(shù)值放入數(shù)據(jù)寄存器中 ,在對(duì) 應(yīng)的子程序中 ,實(shí)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sit時(shí)占炳也I并光糙克 >圖11自動(dòng)控制流程圖Z0ZI¥四凰總 工回石點(diǎn) |6七、調(diào)試應(yīng)用程序?qū)幒玫某绦?，可以先利用模擬實(shí)驗(yàn)板模擬現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(jì)和制作。在動(dòng)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(shí)，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(shí)，要采取 有效的措施抑制各種干擾信號(hào)，同時(shí)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(shí)際問題和不足，通過調(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(jì)劃，以免因?yàn)楣ぷ鞯拿つ啃?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(shí)間運(yùn)行實(shí)踐的 考驗(yàn)，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?？偨Y(jié)本文對(duì) PLC 控制的物料機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。以 PLC 為主控制器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的自動(dòng)化操作。但是因?yàn)闀r(shí)間和其他客觀條件的限制，仍存在一些不足。本次 設(shè)計(jì)更多的是理論層次的研究 , 設(shè)計(jì)的任務(wù)之一是針對(duì)機(jī)械手換向回 路編寫PLC控制程序，因?yàn)閷?duì)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(jì)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(shí)踐環(huán)節(jié)，這樣才能使設(shè)計(jì)的PLC和觸摸屏程序更加完善和可靠