物料搬運機械手系統(tǒng)plc設(shè)計

1、成績 物料搬運機械手系統(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： 機制102班 學 號： 姓 名： 一、 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機械手的工藝流程圖。該機械手是一個水平/垂直位移的機械設(shè)備，其操作是將工件從左工作臺搬運到右工作臺，由光耦合器VLC來檢測工作臺上有沒有工件。機械手通常位于原點，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。圖1 簡易物料搬運機械手(二) 設(shè)計概述PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計包括3個重要的

2、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)運行一個過程，也能進行手動操作運行一個工作步等。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；接著機械手下降，下降到右工位壓動下限位開關(guān)（兩個工位

3、用一個下限位開關(guān)）后自停；接著機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行。2. 連續(xù)方式啟動后機械手反復(fù)運行上述每個周期的動作過程，即周期性連續(xù)運行。3. 單步方式每按一次操作按鈕，機械手完成一個工作步。例如，按一次操作按鈕機械手開始下降，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. 手動方式按下按鈕則機械手開始一個動作，松開按鈕則停止該動作。(二) 對機械手每工作步的控制要求1.

4、 上升和下降機械手上升和下降的動作都要到位，否則不能進行下一個工作步。本題使用上下限位開關(guān)進行控制，上升和下降的動作用一個雙線圈的電磁閥控制。2. 放松和夾緊機械手夾緊和放松的動作必須在兩個下工位處進行，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，機械手的左、右運動必須在壓動上限位開關(guān)后才能進行；機械手的左/右運動都必須到位，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)進行控制。左/右行的動作由雙線圈的電磁閥控制。(三) 機

5、械手工作流程1. 對于手動控制方式按照點動的方式進行,手動控制按鈕有手動右移、手動左移、手動前進、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,機械手分別執(zhí)行機械手臂X軸右移、X軸左移、Y軸前進、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)機械手從流水線將工件取下;(4)豎軸上升至Zl,橫軸移動至X2,豎軸下降至Z2;(5)松開工件,機械手

6、將工件放置到工作臺上;(6) 豎軸上升,啟動工作,機械手進行工作等待;(7)工作完成，信號置位;(8)豎軸下降,夾緊工件;(9)豎軸上升至Zl,橫軸移動X3,縱軸移動Y3,豎軸下降至Z2,松開工件;(10)豎軸上升,X回原點,Y回原點。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軸表示豎軸;如此在X軸上有X1、X2、X3三個工位, 在Y軸上有Yl、Y2、Y3三個工位,在Z軸上有Z1和Z2兩個工位。(四) 機械手實現(xiàn)功能基于上述的控制耍求,本機械手控制系統(tǒng)實現(xiàn)下述功能:機械手按手動和自動兩種方式動作:設(shè)計要求機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,用點動

7、的方式進行機械手的移動控制,對應(yīng)的控制按鈕在控制面板之上;在自動方式下,機械手根據(jù)編制的自動控制程序?qū)崿F(xiàn)自動運行,完成工件的抓取。三、 確定系統(tǒng)整體設(shè)計方案在進行程序的設(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2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案四、 確定輸入/輸出元件，選擇PLC機型本設(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)備進行連接,基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 PLC基本結(jié)

8、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。按照機械手的控制要求,系統(tǒng)需要以下輸入點,具體分配為:X軸原點信號、Y軸原點信號、停止、手動/自動選擇、手動左行、手動右行、手動前進、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、Y1位置、Y2位置、Y3位置、Z1位置、Z2位置、伺服X-READY、伺服Y-READY、工件到位信號、工作結(jié)束。系統(tǒng)需要輸出點具體分配為:X脈沖輸出、Y脈沖輸出、X方向控制、Y方向控制、啟動準備、伺服X報警、伺服Y報警、Z軸上升、Z軸下降、夾緊、工作啟動、工作結(jié)束、機械手等待。I/O分配如表1所示：表1 I/O分配六、

9、設(shè)計應(yīng)用程序(一) 回原點的操作系統(tǒng)初始時刻,需要對機械手進行回原點操作。在直線軌跡上選擇其中一個點作為參考點,從而得到一構(gòu)建坐標系,對于實現(xiàn)控制提供參考系。在三菱的PLC中,由于FX2N系列沒有專門的回原點指令,因此采用其PLSY脈沖輸出指令進行原點回歸操作。輸出端的Y2控制伺服電機轉(zhuǎn)動的方向,通過試驗,若通電時刻電機向原點的反方向運動,則換置Y2的值,保證上電時刻電機向著原點方向前進。系統(tǒng)在初始化執(zhí)行回原點程序后,機械手停在原點?；卦c控制程序的流程圖如圖4所示圖4 回原點的程序(二) 手動運行方式1. 運行流程當選擇手動控制方式時,手動/自動按鈕不按下,此時系統(tǒng)的控制采用點動的方式進行,

10、由各個對應(yīng)的手動操作按鈕來控制機械手的相應(yīng)動作。當按鈕被按下時,相應(yīng)的執(zhí)行元件動作,直到到達運動的終點碰到行程開關(guān)或者按鈕松開。手動的按鈕有X軸左移、X軸右移、Y軸前進、Y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)的安全運行,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)的常開觸點作為聯(lián)鎖,防止機械手在較低位置時移動與別的物體發(fā)生碰撞,即當Z1置位時,伺服電機才可以驅(qū)動X、Y軸進行移動。機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

11、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,機械手氣動吸盤松開。手動控制程序的流程圖如圖5所示：圖5 手動控制程序流程圖根據(jù)上述流程圖的原則,設(shè)計手動操作程序。2. X軸手動控制當對X軸進行移動操作時,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。圖6 X軸手動控制的梯形圖對于X軸移動,對應(yīng)的輔助繼電器M3置位,執(zhí)行在回原點程序中已用到的PLSY指令。如圖7所示：圖7 X軸的PLSY指令3. Y軸手動控制對于Y軸的前進和后退,其基本原理與X軸的移動相似,只

12、是脈沖輸出口變?yōu)閅l,方向控制輸出為Y3。對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器變?yōu)镈10和D11,方向Y3置位時為后退方向,復(fù)位時為前進方向,手動前進的程序如圖8所示。圖8 Y軸手動移動程序在執(zhí)行Y軸的移動時,同樣需要執(zhí)行在Y軸回原點過程中用到的PLSY指令,如圖9所示。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。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,以點動的方式對機械手進行相應(yīng)的操作,完成手動控制功能。(三) 自動運行方式1. 誤操作的禁止自動方式（連續(xù)、單周期

13、、單步）時，按一次操作按鈕自動運行方式開始，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，當機械手到達右工位上方時，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）；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)順序功能圖進行程序的設(shè)計

14、。自動控制程序的詳細動作時序圖如下所示:(1) 機械手停原點,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,工件放亍裝箱機之上;(13) Z軸

15、上升至Zl, X軸回原點、Y軸回原點;(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)始地進行工件的拋光和裝箱動作,直到PLC停機或者按下停止按鈕。圖12所示為自動程序的流程圖。按照此程序流程圖,設(shè)計機械手的自動操作程序,可實現(xiàn)機械手按照自動方式運行。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)寄存器的加減運算,達到伺服電機的控制效果。圖11 自動控制流程圖七、 調(diào)試應(yīng)用程序?qū)幒玫某绦颍梢韵壤媚M實驗板模擬現(xiàn)場信號進行初步的調(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

16、、 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)機調(diào)試程序聯(lián)機調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實際問題和不足，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)試計劃，以免由于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)過一定時間運行實踐的考驗，才能確定程序是否達到控制要求。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