數(shù)控技術(shù)正文

1、中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)要求如圖 11 所示是一臺(tái)工件傳送的氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作示意圖，其作用是將工件從甲工作臺(tái)傳遞到乙工作臺(tái)。圖 11 工件傳送的氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作示意圖機(jī)械手的具體動(dòng)作示意圖如圖12 所示。氣動(dòng)機(jī)械手的升降和左右移動(dòng)分別由兩個(gè)具有雙線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸來完成，其中上升與下降對(duì)應(yīng)電磁閥的線圈分別為 YV3 與 YV1 ，左行、右行對(duì)應(yīng)電磁閥的線圈分別為YV5 與 YV6 。一旦電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的動(dòng)作，直到相對(duì)的另一線圈通電為止。氣動(dòng)機(jī)械手的夾緊、松開的動(dòng)作由只有一個(gè)線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)的氣缸完成，線圈( YV2) 斷電夾住工件，線圈 (YV2) 通電，松開

2、工件，以防止停電時(shí)的工件跌落。機(jī)械手的工作臂都設(shè)有上、下限位和左、右限位的限位開關(guān) SQ1、SQ2、 SQ4SQ5 和SQ3、SQ6，夾持裝置不帶限位開關(guān)，它是通過一定的延時(shí)來表示其夾持動(dòng)作的完成。機(jī)械手在最上面、最左邊且除松開的電磁線圈 ( YV2) 通電外其他線圈全部斷電的狀態(tài)為機(jī)械手的原位。圖 12 機(jī)械手的動(dòng)作示意圖機(jī)械手的工作按著從原點(diǎn)、下降、夾緊、上升、右移、下降、放松、上升、左移、原點(diǎn)的過程進(jìn)行。具體操作過程是 從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到底時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；1中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手夾緊；夾緊

3、后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升，上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時(shí)接通右移電磁閥，機(jī)械手右移，右移到位時(shí)，碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，右移停止；若此時(shí)乙工作臺(tái)上無工件，則光電開關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到底時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止：同時(shí)夾緊電磁閥通電，機(jī)械手放松；放松后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升，上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥通電，上升停止；同時(shí)接通左移電磁閥，機(jī)械手左移，左移到原點(diǎn)時(shí)，碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，左移停止。至此，機(jī)械手經(jīng)過 8 步動(dòng)作完成另一個(gè)周期的工作。機(jī)械手的每次循環(huán)動(dòng)作均從原位開始。2.根據(jù)工藝

4、過程分析控制要求機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)和回原位5 種，用開關(guān) SA進(jìn)行選擇。 如圖 2 1 所示為機(jī)械手的操作面板。圖 21 機(jī)械手的操作面板(1)手動(dòng)工作方式時(shí)，用各操作按鈕(SB5、SB6、 SB7、SB8、SB9、SB10、 SB11)來點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的各動(dòng)作。(2)單步工作方式時(shí)，每按一次啟動(dòng)按鈕(SB3)，向前執(zhí)行一步動(dòng)作。(3)單周期工作方式時(shí)，機(jī)械手在原位，按下啟動(dòng)按鈕SB3，自動(dòng)地執(zhí)行一個(gè)工作周期的動(dòng)作，最后返回原位（如果在動(dòng)作過程中按下停止按鈕 SB4，機(jī)械手停在該工序上，再按下啟動(dòng)按鈕 SB3，則又從該工摩繼續(xù)工作，最后停在原位）。（ 4）連續(xù)工作時(shí)，機(jī)

5、械手在原位，按下啟動(dòng)按鈕（ SB3），機(jī)械手就連續(xù)重復(fù)進(jìn)行工作（如果按下停止按鈕 SB4），機(jī)械手運(yùn)行到原位后停止）。返回原位工作方式是，按下“回原位”按鈕 SB11，機(jī)械手自動(dòng)回到原位狀態(tài)。3.確定所需的輸入，輸出設(shè)備及I/O 點(diǎn)數(shù)3.1 輸入設(shè)備。2中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)操作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)。該開關(guān)應(yīng)有手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)和回原位5 種可供選擇。手動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)選擇開關(guān)。該開關(guān)有上下、左，右、夾緊/放松 3 個(gè)位置可供選擇。啟動(dòng)、停止按鈕。位置檢測(cè)元件，機(jī)械手的動(dòng)作是按行程原則進(jìn)行控制的。其上限、下限、左限、右限的位置分別用限位開關(guān)來檢測(cè)。3.2 輸出設(shè)備。下降電磁閥、上升電磁閥、右移電磁閥

6、、左移電磁閥、夾緊電磁閥。為了對(duì)機(jī)械手處于原點(diǎn)進(jìn)行指示，還配置了一個(gè)原點(diǎn)指示燈。系統(tǒng)共需要 18 個(gè)輸入設(shè)備和 6 個(gè)輸出設(shè)備分別占用 PLC 的 18 個(gè)輸入點(diǎn)和 6 個(gè)輸出點(diǎn)。4.選擇 PLC根據(jù)所需的用戶輸入輸出設(shè)備及 I/O 點(diǎn)數(shù)，選擇 FX2N-48MR 型 PLC 就可以滿足控制系統(tǒng)的要求。為了保證在緊急情況下（包括 PLC 發(fā)生故障時(shí)），能可靠地切斷 PLC 的負(fù)載電源，設(shè)置了交流接觸器 KM 。在 PLC 開始運(yùn)行時(shí)按下“電源”按鈕 SB1，使 KM 線圈得電并自鎖， KM 的主觸點(diǎn)接通，給輸出設(shè)備提供電源；出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下“急?！卑粹o SB2， KM 觸點(diǎn)斷開電源。5.I

7、/O 點(diǎn)的編號(hào)分配和PLC 外部接線圖I/O 點(diǎn)的編號(hào)分配見表 51。輸入輸出手動(dòng)操作方式X000回原位操作方式X001單步X002單周期X003連續(xù)X004啟動(dòng)按鈕 SB3X005停止按鈕 SB4X006上升電磁閥 YVlY000回原位 SB11X007下降電磁閥 YV2Y001上限位開關(guān) SQlX010左移電磁閥 YV3Y002下限位開關(guān) SQ2X011右移電磁閥 YV4Y003左限位開關(guān) SQ3X012夾緊電磁閥 YV5Y004右限位開關(guān) SQ4X013原點(diǎn)指示燈 YV6Y005上升 SB5X014下降 SB6X015左移 SB7X016右移 SB8X017松開 SB9X020夾緊 SB

8、10X0213中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)在編程過程中除了需要用到這些I/O 繼電器外，還用到了M1 M4 、M10 M18 這些輔助繼電器。PLC 的 I/O 接線圖如圖 51 所示。圖 51 PLC 的外部接線圖6.程序設(shè)計(jì)這里采用兩種編程方法來對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。6.1 方法一：基本指令編程方法根據(jù)系統(tǒng)工藝分析，這里將程序分為公用程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序 4 個(gè)部分，其中自動(dòng)程序包括單步、單周期和連續(xù)工作的程序，這是因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鞫际前凑胀瑯拥捻樞蜻M(jìn)行，所以將它們合在一起編程更加簡(jiǎn)單。6.1.1 程序的總體結(jié)構(gòu)程序的總體結(jié)構(gòu)采用了基本指令中的跳轉(zhuǎn)指令CJ，目的是使得自動(dòng)程序

9、、手動(dòng)程序和回原位程序不會(huì)同時(shí)執(zhí)行。假設(shè)選擇“手動(dòng)”方式，則X000 為 ON、X001 為 OFF，此時(shí) PLC 執(zhí)行完公用程序后，將跳過自動(dòng)程序到P0 處，由于 X000常閉觸點(diǎn)為斷開，故執(zhí)行“手動(dòng)程序”，執(zhí)行到Pl 處，由于 X001 常閉觸點(diǎn)為閉合，所以又跳過回原位程序到P2 處；假設(shè)選擇“回原位”方式，則X000 為OFF、X001 為 ON，跳過自動(dòng)程序和手動(dòng)程序執(zhí)行回原位程序；假設(shè)選擇“單步”或“單周期”或“連續(xù)”方式，則X000、X001 均為 OFF，此時(shí)執(zhí)行完自動(dòng)程序后，跳過手動(dòng)程序和回原位程序。機(jī)械手系統(tǒng)的PLC 梯形圖的總體結(jié)構(gòu)如圖61 所示。4中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)

10、圖 61 機(jī)械手系統(tǒng) PLC 梯形圖的總體結(jié)構(gòu) 6.1.2 各部分程序的設(shè)計(jì)6.1.2.1 公用程序公用程序是程序設(shè)計(jì)中的第一步，其梯形圖如圖6 2 所示，左限位開關(guān)X012、上限位開關(guān) X010 的常開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手松開的Y004 的常閉觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，原點(diǎn)指示燈Y005 變?yōu)?ON，表示機(jī)械手在原位。圖 62 公用程序的梯形圖公用程序用于自動(dòng)程序和手動(dòng)程序相互切換的處理，當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)工作方式時(shí)，必須將除初始步以外的各步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器 (M11 M18) 復(fù)位，同時(shí)將表示連續(xù)工作狀態(tài)的 Ml 復(fù)位，否則當(dāng)系統(tǒng)從自動(dòng)工作方式切換到手動(dòng)工作方式，然后又返回自動(dòng)工作方式時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)同

11、時(shí)有兩個(gè)活動(dòng)步的異常情況，引起錯(cuò)誤的動(dòng)作。5中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)狀態(tài) (Y005 為 ON) ，在開始執(zhí)行用戶程序 (M8002 為 ON)、系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)或回原點(diǎn)狀態(tài) (X000 或 X001 為 ON)時(shí)，初始步對(duì)應(yīng)的 Ml0 將被置位，為進(jìn)入單步、單同期和連續(xù)工作方式作好準(zhǔn)備。如果此時(shí) Y005 為 OFF 狀態(tài)， Ml0 將被復(fù)位，初始步為不活動(dòng)步，系統(tǒng)不能在單步、單周期和連續(xù)工作方式下工作。6.1.2.2 手動(dòng)程序手動(dòng)程序的梯形圖如圖 63 所示。手動(dòng)工作時(shí)用 X014、X015、 X016、X017、X020 和 X021 對(duì)應(yīng)的 6 個(gè)按鈕控制機(jī)械手的上升、

12、下降、左行、右行、松開和夾緊。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在手動(dòng)程序中設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖，例如上升與下降之間、左行與右行之間的互鎖；上升、下降、左行、右行的限位；上升限位開關(guān) X010 的常開觸點(diǎn)與控制左、右行的 Y003 和 Y002 的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，這使得機(jī)械手升到最高位置才能左右移動(dòng)，以防止機(jī)械手在較低位置運(yùn)行時(shí)與別的物體碰撞。圖 63手動(dòng)程序的梯形圖6.1.2.3 回原點(diǎn)程序在回原點(diǎn)工作方式（ X001 為 ON），按下回原點(diǎn)啟動(dòng)按鈕X007，M3 變?yōu)镺N，機(jī)械手松開和上升，升到上限位開關(guān)時(shí)X010 為 ON，到左限位處時(shí)， X12 變?yōu)?ON，左行停止并將 M3 復(fù)位。這時(shí)原點(diǎn)條件滿

13、足， Y005 為 ON，在公用程序中，初始步 M10 被置位，為進(jìn)入單周期、連續(xù)和單步工作方式作好了準(zhǔn)備。自動(dòng)回原點(diǎn)程序的梯形圖如圖 64 所示。6中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)圖 64 回原位程序的梯形圖6.1.2.4 自動(dòng)程序機(jī)械手控制系統(tǒng)的自動(dòng)工作方式有單步方式、單周期方式、連續(xù)方式3 種。自動(dòng)程序的梯形圖如圖65 所示。這 3 個(gè)工作方式的詳細(xì)的工作過程介紹如下述。系統(tǒng)工作為單步方式時(shí)，在程序步5 處， X002 為 ON，其常閉觸點(diǎn)斷開，輔助繼電器 M2 為 OFF。此時(shí) X003 和 X004 都為 OFF，“單周期”和“連續(xù)”工作方式被禁止。假設(shè)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)， Ml0 為 ON，

14、當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕 X005 時(shí)，M2 由 OFF 變成了 ON，使得 Mll 為 ON，Y001 線圈得電，系統(tǒng)進(jìn)入下降步（程序步 15 處）。放開啟動(dòng)按鈕后，M2 馬上變?yōu)?OFF。在下降過程中， Y001 得電，機(jī)械手降到下降限位開關(guān) X011 處時(shí)，與 YO01 的線圈串聯(lián)的 X011 的常閉觸點(diǎn)斷開，使 Y001 的線圈斷電，機(jī)械手停止下降（程序步 72 處）。此時(shí)， Mll 和 X011 均為 ON，其常閉觸點(diǎn)接通，再按下啟動(dòng)按鈕 X005 時(shí)， M2 又變成了 ON，M12得電并自保持，機(jī)械手進(jìn)入夾緊狀態(tài)，同時(shí) Mll 變成了 OFF。在完成某一步動(dòng)作后，必須按一次啟動(dòng)按鈕系統(tǒng)才能進(jìn)

15、入下一步。在輸出程序部分，X010 X013 的常閉觸點(diǎn)是為單步工作方式設(shè)置的。以下降為例，當(dāng)小車碰到下限位開關(guān)X011后，與下降步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器Mll 不會(huì)馬上變?yōu)?OFF，如果 Y000 的線圈不與X011 的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，機(jī)械手不能停在下限位開關(guān)X011 處，還會(huì)繼續(xù)下降，這種情況下可能造成事故。系統(tǒng)工作在單周期工作方式時(shí)，此時(shí)X003 為 ON， X001 和 X002 的常閉觸點(diǎn)閉合， M2 為 ON，允許轉(zhuǎn)換。在初始步時(shí)按下啟動(dòng)按鈕X005，在程序步 13處， Ml0 、X005、 M2 的常開觸點(diǎn)和 X012 的常閉觸點(diǎn)均接通，使Mll 為 ON，系統(tǒng)進(jìn)入下降步， Y001 為

16、 ON，機(jī)械手下降；機(jī)械手碰到下限位開關(guān)X011 時(shí)， M12變?yōu)?ON，轉(zhuǎn)換到夾緊步， Y004 被復(fù)位，工件被夾緊；同時(shí) T0 得電， 2s 以后 T0 的定時(shí)時(shí)間到，其常開觸點(diǎn)接通，使系統(tǒng)進(jìn)入上升步。系統(tǒng)將這樣一步一步地往下7中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)工作，當(dāng)機(jī)械手在程序步 61 處返回最左邊時(shí)， X004 為 ON，因?yàn)榇藭r(shí)不是連續(xù)工作方式， Ml 處于 OFF 狀態(tài)，因此機(jī)械手不會(huì)連續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)工作在連續(xù)方式時(shí)， X004 為 ON，在初始狀態(tài)按下啟動(dòng)按鈕 X005， Ml 得電自保持，選擇連續(xù)工作方式，其他工作過程與單周期方式相同。按下停止按鈕X006，Ml 變?yōu)?OFF，但系統(tǒng)不會(huì)

17、立即停止，在完成當(dāng)前的工作周期后，機(jī)械手最終要停在原位。系統(tǒng)工作在連續(xù)、單周期（非單步）工作方式時(shí)， X002 的常閉觸點(diǎn)接通，使 M2 （轉(zhuǎn)換允許） ON，串聯(lián)在各步電路中的 M2 的常開觸點(diǎn)接通，允許某步工作與某步工作之間的轉(zhuǎn)換。由于在分部分程序設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮各部分之間的相互關(guān)系，因此只要將公用程序、手動(dòng)程序和自動(dòng)程序按照機(jī)械手程序總體結(jié)構(gòu)綜合起來即為機(jī)械手控制系統(tǒng)的 PLC 程序。8中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)圖 65自動(dòng)程序的梯形圖6.2 方法二：狀態(tài)初始化指令和步進(jìn)順控指令配合的方法6.2.1 初始化程序初始化程序主要是利用 FX 系列 PLC 的狀態(tài)初始化指令 IST，該指令專門用來設(shè)

18、置具有多種工作方式的控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)和設(shè)置有關(guān)的特殊輔助繼電器的狀態(tài)，可以大大簡(jiǎn)化復(fù)雜的順序控制程序的設(shè)計(jì)。 IST 指令只能使用一次，放在程序開始的地方，被它控制的 STL 電路應(yīng)放在它的后面。初始化程序的梯形圖如 669中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)所示。圖 6 6 初始化程序?qū)?yīng)的指令語(yǔ)句表如下：LDX012ANDX010ANDY004OUTM8044LDM8000ISTX000S20S27S20 和 S27 用來指定初始化程序設(shè)置了初始狀態(tài)和原點(diǎn)位置條件。指令中的作中用到的最小和最大狀態(tài)繼電器的元件號(hào)，IST 指令的源操作數(shù) X000 用來指定式有關(guān)的輸入繼電器的首元件，它實(shí)際上指定的是X

19、000 X007 這 8 個(gè)輸入繼電器，見表 61 (110 點(diǎn)的編號(hào)分配 )。IST 指令的執(zhí)行條件滿足時(shí)，初始狀態(tài)繼電器S0S2 和下列特殊輔助繼電器被自動(dòng)指定為以下功能，見表61。以后即使是IST 指令的執(zhí)行條件變?yōu)?OFF，這些元件的功能仍保持不變。表 61輔助元件表特殊輔助繼電器 M功能狀態(tài)繼電器 S功能M8040禁止轉(zhuǎn)換S0手動(dòng)操作初始狀態(tài)繼電器M8041轉(zhuǎn)換啟動(dòng)Sl回原點(diǎn)初貽狀態(tài)繼電器M8042啟動(dòng)脈沖S2自動(dòng)操作初始狀態(tài)繼電器M8043回原點(diǎn)完成M8044原點(diǎn)條件M8047STL 監(jiān)控有效使用了 IST 指令，系統(tǒng)的手動(dòng)、自動(dòng)、單周期、單步、連續(xù)和回原點(diǎn)這幾種工作方式的切換是系

20、統(tǒng)程序自動(dòng)完成的，但必須按照IST 指令中指定的控制工作方式X000X007 的元件號(hào)順序進(jìn)行控制。若要改變當(dāng)前選擇的工作方式，在“回原點(diǎn)方式”標(biāo)志 M8043 變?yōu)?0N 之前，所有的輸出繼電器都將變?yōu)镺FF。6.2.2 手動(dòng)方式程序S0 為手動(dòng)方式的初始狀態(tài)。手動(dòng)方式的夾緊、松開、上升、下降、左行和右行是由相應(yīng)的按鈕來完成的， 其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 67 所示。10中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)圖 67 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖對(duì)應(yīng)的指令語(yǔ)句表如下。STLS0OUTY001LDX021LDX016RSTY004ANDX010LDX020ANIX012SETY004ANIY003LDX014OUTY002ANIX010LDX017ANIY001ANDX010OUTY000ANIX013LDX015ANIY002ANIX011OUTY003ANIY000(RET)%加上括號(hào)表示可有可無6.2.3 回原點(diǎn)方式程序68 所示。圖中的 Sl 為回原點(diǎn)方式的初始狀回原點(diǎn)方式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖態(tài)， Sl0S12 為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中的步，上升限位開關(guān)X010 和左行限位開關(guān)X012 為轉(zhuǎn)換條件。當(dāng)自動(dòng)返回原點(diǎn)結(jié)束后，M8043 置 ON。11中北大學(xué)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)圖 6 8 回原點(diǎn)方式狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖對(duì)應(yīng)的指令語(yǔ)句表如下 :STLSlSTLSllLDX007RSTY003SETSl0OUTY002S