PLC在機械手搬運工件中的運用(定稿)

1、成都市技師學院2011年畢業(yè)論文PLC在機械手搬運工件中的運用 作者姓名： 吳海明 班 級： 09三年高機電2班 指導老師： 李 艷 聯(lián)系電話： 【摘要】機械手是機電一化設備或自動化生產系統(tǒng)中的常用的裝置，用來搬運物體或代替人完成某些操作。根據(jù)驅動機械手工作的不同，可分為氣動機械手、液壓機械手和電動機械手；按照機械手的工作性質，可分為搬運機械手、焊接機械手和注塑機械手等?！娟P鍵詞】PLC 三菱FX2N 磁性傳感器 接近傳感器 一、前言一機械手的作用 機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害

2、環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度。 機械手的種類

3、，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。二機械手搬運機構圖1 機械手搬運機構1- 擺動氣缸 2-非標螺絲 3-氣動手爪 4-手抓磁性開關Y59BLS 5-提升氣缸 6-磁性開關D-C73 7-節(jié)流閥 8-伸縮氣缸 9-磁性開關D-Z73 10-左右限位傳感器11-

4、緩沖閥 12-安裝支架 整個搬運機構能完成四個自由度動作，手臂伸縮、手臂旋轉、手爪上升、手爪上下、手爪松緊。1. 手爪提升氣缸：提升氣缸采用雙向電控氣閥控制。2. 磁性傳感器：用于氣缸的位置檢測。檢測氣缸伸出和縮回是否到位，為此在前點和后點上各一個，當檢測到氣缸準確到位后將給PLC發(fā)出一個信號3. 手爪：抓取和松開物料由雙電控氣閥控制，手爪夾緊磁性傳感器有信號輸出，指示燈亮，在控制過程中不允許兩個線圈同時得電。4. 擺動氣缸：機械手臂的正反轉，由雙電控氣閥控制。5. 接近傳感器：機械手臂正轉和反轉到位后，接近傳感器信號輸出。6. 伸縮氣缸：機械手臂伸出、縮回，由電控氣閥控制。氣缸上裝有兩個磁性

5、傳感器，檢測氣缸伸出或縮回位置。7. 緩沖器：旋轉氣缸高速正轉和反轉時，起緩沖減速作用。三傳感器應用說明電感式接近傳感器由高頻震蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。震蕩器在傳感器檢測面產生一個交變電磁場，當金屬物料接近傳感器檢測面時，金屬中產生的渦流吸收了震蕩的能量。使震蕩減弱以至停滯。震蕩器的震蕩及停振這兩種狀態(tài)，轉換為電信號通過整形放大器轉換成二進制的開關信號，經功率放大后輸出。光電傳感器是一種紅外調制型無損檢測光電傳感器。采用高效果紅外發(fā)光二極管光敏三極管作為光電轉換元件。工作方式有同軸反射和對射型。他們具有體積小，使用簡單，性能穩(wěn)定，壽命長，響應速度快，抗沖擊，耐震動，接受不受外界干

6、擾等優(yōu)點。磁性開關是用來檢測氣缸活塞位置的，即檢測活塞的運行行程的。他可分為有觸點式和無觸點式兩種。用磁性開關來檢測活塞的位置，從設計、加工、安裝、調試等方面，都比使用其他限位開關方式簡單、省時。觸點接觸電阻小，一般為50200m，但可通過電流小，過載能力較差，只適合低壓電路。響應快，動作時間為1.2ms。耐沖擊，沖擊加速度可達300m/ s²，無漏電流存在。二、可編程控制器的產生一PLC的由來PLC的研究始于1968年。1969年美國數(shù)字設備公司研制成功世界上第一臺PLC，并在汽車生產上或得應用。之后，1971年日本從美國引進PLC技術，研制出日本的第一臺PLC。1973年歐洲也獨

7、立研制出他們的第一臺PLC。我國從1947年開始研制PLC，1977年開始工業(yè)應用。目前，PLC的產品、產量、用量在所有的工業(yè)控制裝置中居首位。PLC及其網(wǎng)絡被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱之二PLC的定義1987年2月國際電工委員會IEC曾對可編程序控制器作了一個恰當?shù)亩x：“可編程序控制器是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的工業(yè)控制器。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P外圍設備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能

8、的原則設計。” 按照這個定義，PLC實質上是工業(yè)環(huán)境下使用的計算機。隨著計算機技術的發(fā)展，PLC已發(fā)展為集計算機技術、自動控制技術、通訊技術、過程控制與一體的電子裝置。它可使用基本邏輯指令編程，可使用梯形圖編程，有些還可以使用高級計算機語言編程，具有可操作性強、可靠性高等特點。 目前傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)已逐步為PLC所取代，這是一種發(fā)展趨勢。隨著計算機的發(fā)展，PLC的優(yōu)點也是顯而易見的，主要優(yōu)點是：1可靠性高，抗干擾性強。2功能性強，具有操作方便。3編程簡單，人機對話界面好。4配套齊全，使用方便。5壽命長，體積小，能耗低。6系統(tǒng)的設計、安裝、調試、維修工作量少，維修方便。三PLC的基本概念

9、與組成PLC是一種將計算機技術與繼電器控制概念結合起來、裝有程序、以及中央微處理器CPU為核心并與輸入/輸出I/O設備相連接而作為工業(yè)控制特殊用途的計算機，因此它的基本組成部分與通用的微機類似，如圖2所示。PLC主要有中央微處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路、電源等組成。輸入單元輸出單元電 源存儲器CPU編程設備送到接觸器、繼電器線圈、燈等的輸出信號從按鈕、傳感器來的輸入信號圖2 PLC組成的等效示意圖四可編程控制器的分類1超小型PLC，其中I/O總點數(shù)一般少于64點，內存容量少于2KB。2小型PLC，其中I/O總點數(shù)一般少于64點，內存容量在14KB。3中型PLC，其中I/O總點數(shù)在1285

10、12點，內存容量在413KB。4大型PLC，其中I/O總點數(shù)在512點以上，內存容量在13KB以上。中小型PLC通常吧電源、中央處理器CPU和I/O接口集成在一個機殼里內。大型PLC通常吧電源、CPU、I/O接口、擴展單元等都做成模塊，在結構上相互獨立，根據(jù)需要選擇合適的模塊，安裝在固定的機架上。五可編程控制器的編程語言1. PLC編程語言的國際標準 PLC編程語言標準（IEC 61131-3）中有5種編程語言，即順序功能圖（Sequential function chart），梯形圖（Ladder diagram），功能塊圖（Function block diagram），指令表（Instr

11、uction list），結構文本（Structured text）。其中的順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）是圖形編程語言，指令表（IL）、結構文本（ST）是文字語言。1) 順序功能圖（SFC）2) 梯形圖（LD）3) 功能塊圖（FBD）4) 指令表（IL）5) 結構文本（ST）2. 梯形圖的主要特點1) PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱。2) 根據(jù)梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關系，求出圖中各線圈對應的軟元件的ON/OFF狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯運算。3) 梯形圖中各軟元件的常開觸點和常閉觸點均可以無限多次地使用。4) 輸入繼電器的狀態(tài)唯一地取決于對應的外部

12、輸入電路的通斷狀態(tài)，因此在梯形圖中不能出現(xiàn)輸入繼電器的線圈。5) 輔助繼電器相當于繼電控制系統(tǒng)中的中間繼電器，用來保存運算的中間結果，不對外驅動負載，負載只能由輸出繼電器來驅動。六可編程控制器的技術性能指標 PLC的技術性能指標有一般指標和技術指標兩種。 一般性能規(guī)格是指使用PLC時應注意的問題，主要包括電源電壓、允許電壓波動范圍、耗電情況、直流輸出電壓、絕緣電阻、耐壓情況、抗噪聲性能、耐機械振動及沖擊情況、使用環(huán)境溫度和濕度、接地要求、外形尺寸、質量等。具體性能規(guī)格是指PLC所具有的技術能力，如果只是一般地了解PLC的性能，了解如下的基本技術性能指標即可。1I/O點數(shù) 如FX系列的I/O點數(shù)

13、最多為256。2掃描速度 小型PLC的掃描時間可能大于40ms。3內存容量 一般小型機的存儲容量為1KB到幾千字節(jié)，大型機則為幾十千字節(jié)，甚至1MB2MB，通常以PLC所能存放用戶程序的多少來衡量。4指令系統(tǒng)5內部寄存器6特殊功能模塊 七可編程控制器的應用領域及發(fā)展趨勢1. PLC的應用領域1) 開關量邏輯控制2) 運動控制3) 過程控制4) 數(shù)據(jù)處理5) 通信連網(wǎng)2. PLC的發(fā)展趨勢1) 從技術上看， PLC會向運算速度更快、存儲容量更大、功能更廣、性能更穩(wěn)定、性價比更高的方向發(fā)展。2) 從規(guī)模上看， PLC會進一步向超小型和超大型兩個方向發(fā)展。3) 從配套性上看， PLC產品會向品種更豐

14、富、規(guī)格更齊備的方向發(fā)展。4) 從標準上看，PLC的通用信息、設備特性、編程語言等向IEC1131標準的方向發(fā)展。5) 從網(wǎng)絡通信的角度看，PLC將向網(wǎng)絡化和通信的簡便化方向發(fā)展。三、FX系列可編程控制器 1. FX系列可編程控制器概述FX系列PLC型號名稱的含義如下：1) 系列序號：如1S，1N，2N等；2) I/O總點數(shù)：10256；3) 單元類型：M為基本單元，E為I/O混合擴展單元與擴展模塊，EX為輸入專用擴展模塊，EY為輸出專用擴展模塊；4) 輸出形式：R為繼電器輸出，T為晶體管輸出，S為雙向晶閘管輸出；5) 電源的形式： 2. FX系列PLC的一般技術指標FX系列PLC的一般技術指

15、標包括：基本性能指標、輸入技術指標及輸出技術指標。其具體規(guī)定如下表所示：表1 FX系列的PLC的基本性能指標項目FX1sFX1NFX2N和FX2NC運算控制方式存儲程序，反復運算I/O控制方式批處理方式，可以使用I/O刷新指令運算處理速度基本指令0.55微秒/指令0.7微秒/指令0.88微秒/指令應用指令3.7微秒/指令數(shù)百微秒/指令1.52微秒/指令數(shù)百微秒/指令程序語言邏輯梯形圖和指令表可以用步進指令來生成順序控制指令程序容量內存2KB步內置8KB步內置8KB步用存儲盒可以達到16步指令數(shù)量基本步進基本指令27條步進2條應用指令85條89條128條I/O設置最多30點最多128點最多256

16、點表2 FX系列PLC的輸入技術指標輸入電壓DC 24V±10%元件號X0X7其它輸入點輸入信號電壓DC 24V±10%輸入信號電流DC 24V,7mADC 24V,5mA輸入開關電流0FF-ON4.5mA3.5mA輸入開關電流ON-OFF1.5mA輸入響應時間10ms可調節(jié)輸入響應時間X0X17為060mAFX2N其它系列015mA輸入信號形式無電壓觸點，或NPN集電極開路輸出晶體管輸入狀態(tài)顯示輸入ON時LED燈亮3. PLC的軟元件概述 PLC內部有許多具有不同功能的元件，實際上這些元件是由電子電路和存儲器組成的。FX2N的軟元件1) 輸入繼電器（X）2) 輸出繼電器（

17、Y）3) 輔助繼電器（M）4) 狀態(tài)繼電器S5) 定時器T6) 計數(shù)器C7) 數(shù)據(jù)寄存器（D）8) 變址寄存器V9) 指針（P/I）包括分支和子程序用的指針（P）以及中斷用的指針（I）。10) 常數(shù)K用來表示十進制常數(shù)，常數(shù)H用來表示十六進制常數(shù)。四、機械手在搬運工件的控制程序設計 生產線上的搬運機械手，要將在位置A處出的工件搬運到位置B進行下一工序的加工。在啟動前或正常停止后機械手必須停留在原位，也就是說初始位置。機械手的初始位置是：機械手的懸臂氣缸停留在左限位，懸臂氣缸和手臂氣缸的活塞桿均縮回，氣爪處于松開狀態(tài)。 當接通機械手的工作電源，按下啟動按鈕SB5，機械手將按以下動作順序搬運工件：

18、懸臂氣缸活塞桿伸出伸出到前限位傳感器接到信號后手臂氣缸活塞桿伸出伸出到前限位傳感器接收到信號后手臂氣缸活塞桿伸出伸出到下限位后延時0.5s氣爪夾緊再延時0.5s手臂氣缸的活塞桿縮回縮回到上限位傳感器接收到信號后懸臂氣缸活塞桿縮回縮回到后限位傳感器接收到信號后旋轉氣缸驅動機械手右轉右轉到右限位傳感器接收到信號后懸臂氣缸活塞桿伸出伸出到前限位傳感器接收到信號后手臂氣缸活塞桿伸出伸出到下限位后延時0.5s氣爪松開機械手臂的活塞桿縮回縮回到上限位傳感器接收到信號后手臂的活塞桿縮回縮回到后限位傳感器接收到信號后旋轉氣缸驅動機械手左轉返回到初始位置，機械手完成搬運工作的一個循環(huán)。 不按下停止按鈕是SB6，

19、機械手將按上述動作流程連續(xù)自動搬運工件；如果按下停止按鈕SB6，機械手完成當前工件的搬運后，回到初始位置停止。（一）分析工作任務1. 機電設備的初始位置很多機電設備都需要設備初始位置，當設備中的相關部件不在初始位置時，設備就不能啟動運行。如汽車發(fā)動時，離合器必須在“離”的位置或檔位必須在“空擋”的位置，否則會造成汽車發(fā)動機帶負荷啟動而損壞零件；也可能會因為方向盤沒有打好造成汽車亂跑的事故。為了保證設備和人身安全，機電設備必須設置初始位置。1) 機械手有初始位置的要求。 任何有程序控制的機械設備或裝置都有初始位置，它是設備或裝置運行的起點。初始位置的設定應結合設備或裝置的特點和實際運行狀況進行，

20、不能隨意設置。機械手的初始位置要求所有氣缸活塞桿均勻縮回。由于機械手的所有動作都是通過氣缸來完成的，因此初始位置也就是機械手正常停止的位置。因為停止的時間有可能比較長，如果停止時氣缸的活塞桿處于伸出狀態(tài)，活塞桿表面長時間暴露在空氣中，容易受到腐蝕和氧化，導致活塞桿表面光潔度降低，引起氣缸的氣密性變差。當氣缸動作時活塞桿縮進、伸出，由于表面光潔度降低，就好像拿一把銼刀在銼氣缸內的密封圈，時間長了就會引起氣缸漏氣，氣缸就不能穩(wěn)定地工作，嚴重是還會造成氣缸損壞。因此初始位置要求所有氣缸活塞桿均縮回，保證了氣缸的正常的使用壽命。從安全的角度出發(fā)，氣缸的穩(wěn)定工作也保證了機械手的安全運行。由于機械手的旋轉

21、氣缸沒有活塞桿，初始位置機械手的懸臂氣缸如果保證停留在右限位，也是可以的。2) 旋轉氣缸轉動時，懸臂氣缸活塞桿處于縮回狀態(tài)。 在旋轉氣缸動作時，機械手懸臂伸出越長，懸臂氣缸活塞桿受到的作用力就越大，旋轉氣缸轉軸轉動時要做的功也越大。3) 氣爪在抓取工件前后和放置工件前有延時。 這種設計目的是讓氣爪能穩(wěn)定可靠地抓取和放置工件。因為氣爪較小，當手臂氣缸活塞桿下降到下限位傳感器接到信號時，直接驅動氣爪夾緊，一方面顯得很倉促，另一方面要夾準工件，對設備的調試精度要求很高：首先要將氣爪的中心與工件停留位置的中心對準，然后又要確保每次送過來的工件停留位置一致，另外手臂氣缸下限位傳感器安裝的位置要是適合，偏

22、高會造成手臂氣缸活塞桿的行程沒到底就驅動氣爪夾緊，工件會被氣爪撞擊。 若在氣爪夾緊工件，手臂氣缸活塞桿提升的環(huán)節(jié)里加入延時，就能可靠的將工件提升搬運。在機械手放置工件前延時，一方面是為了讓手臂氣缸活塞桿下降到最低處，另一方面在降低到最低位出后有個停頓，能消除工件下降過程中的慣性作用，使工件以最小的沖擊力平穩(wěn)的放到位置上。4) 機械手每個動作之間的轉換都通過傳感器的位置信號控制。 通過傳感器來檢測機械手的每個動作執(zhí)行情況以及是否到位，能確保機械手完整的執(zhí)行每個搬運環(huán)節(jié)，可靠地完成整個工作過程。這種控制方式屬于狀態(tài)控制，是目前機械設備操控設計普遍采用的控制方法。他能使機械設備準確無誤地完成工作任務

23、，一旦出現(xiàn)故障，設備維修人員能快速準確地判斷故障出現(xiàn)的位置，即使修復。5) 停止信號的處理 在機械手運行過程中，按下停止按鈕SB6，要求機械手完成當前工件的搬運后，回到原位停止。也就是但停止信號出現(xiàn)是不能立即停止，必須讓機械手完成一個工作循環(huán)后才能停止，那么首先要分清楚機械手一個工作循環(huán)的起點和終點，工作任務中講的初始位置就是機械手一個工作循環(huán)的起點和終點。編寫程序是可利用一個輔助繼電器，通過停止信號使輔助繼電器吸合并自鎖，利用啟動信號斷路回路使復位，然后再最后一個步進完成時，將輔助繼電器的常開觸點串進輸出停止步進的回路，將輔助繼電器的常開觸點串進輸出啟動步進的回路，就可符合工作任務的要求。

24、如果機械手在搬運過程中遇到突然斷電等突發(fā)情況，要保證機械手所有氣缸的氣路狀態(tài)斷電瞬間不改變、夾持的工件不掉下，電磁閥的配置就需要有選擇，要做到上述功能，機械手的懸臂氣缸、手臂氣缸、旋轉氣缸必須用二位五通雙控電磁閥驅動，氣爪氣缸一般情況選用二位五通單控電磁閥。我們來分析一下氣爪的工作過程：機械手手臂降到A出氣爪夾緊工作，運到B處放下，那么我們只要使氣爪夾工件前松一次、夾緊后搬運到B出放料是在松一次，其余時間段全部夾緊。即使遇到突然斷電等突發(fā)情況，夾持的工件也不會掉下。這樣的配置，電磁閥線圈通電時間很短，既節(jié)約用電，也延長了電磁閥的使用壽命，更保證了機械手搬運工件過程中的安全運行。（2） 機械手P

25、LC輸入/輸出元件地址分配表表3 PLC輸入/輸出元件地址分配表輸入輸出啟動按鈕SB5X0驅動懸臂伸出Y10停止按鈕SB6X1驅動懸臂縮回Y1懸臂氣缸前限位傳感器X2驅動手臂下降Y2懸臂氣缸后限位傳感器X3驅動機械手向右旋轉Y3說手臂氣缸下限位傳感器X4驅動機械手向左旋轉Y4手臂氣缸上限位傳感器X5驅動機械手向右旋轉Y5旋轉氣缸左限位傳感器X6驅動氣爪夾緊Y6旋轉氣缸右限位傳感器X7驅動氣爪放松Y7氣爪氣缸夾緊限位傳感器X10（三）機械手動作流程 初始位置啟動懸臂伸出手臂下降延時0.5s氣爪夾緊延時0.5s手臂上升懸臂縮回機械手向右旋轉懸臂伸出手臂下降 延時0.5s氣爪放松手臂上升懸臂縮回機械

26、手向左旋轉初始位置。（四）指令表和梯形圖根據(jù)機械手的動作特點，采用步進指令編程的方法，將整個工作任務的運行程序的指令表和梯形圖編制如下所示。表4 指令表0 LD X00148 STL S505 96 OUT Y0051 OR M049 OUT Y003 97 MPS2 LDI X00050 LD X00598 LD X0063 OUT M051 SET S506 99 LDI M04 LD M800253 STL S506100 SET S5005 SET S0 54 OUT Y001102 MPP7 STL S055 LD X003103 LD M08 OUT Y00056 SET S507104 SET S09 OUT Y00358 STL S507106 RET10 OUT Y007 59 OUT Y004107 END11 OUT Y00560 LD X00712 LD X00061 SET S50813 AND X00363 STL S50814 AND X00564 OUT Y00015 ANDI X01065 LD X00216 AND X006 66 SET S50917 SET S500