物料搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)plc設(shè)計(jì)

1、成績(jī) 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： 一、 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(lái)檢測(cè)工作臺(tái)上有沒(méi)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。圖1 簡(jiǎn)易物料搬運(yùn)機(jī)械手(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

2、環(huán)節(jié)，其一是通過(guò)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(guò)程，也能進(jìn)行手動(dòng)操作運(yùn)行一個(gè)工作步等。常見(jiàn)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(kāi)關(guān)和上限位開(kāi)關(guān)。按一次操作按鈕機(jī)械手開(kāi)始下降，下降到左工位壓動(dòng)下限位開(kāi)關(guān)后自停；接著機(jī)械手夾緊工件后開(kāi)始上升，上升到原位壓動(dòng)上限位開(kāi)關(guān)后自停；接著機(jī)械手開(kāi)始右行直至壓動(dòng)右限位開(kāi)關(guān)開(kāi)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(kāi)關(guān)（兩個(gè)工位

3、用一個(gè)下限位開(kāi)關(guān)）后自停；接著機(jī)械手放松工件后開(kāi)始上升直至壓動(dòng)上限位開(kāi)關(guān)后自停（兩個(gè)工位用一個(gè)上限位開(kāi)關(guān)）；接著機(jī)械手開(kāi)始左行直至壓動(dòng)左限位開(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)始下降，下降到左限位壓動(dòng)下限位開(kāi)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(kāi)始一個(gè)動(dòng)作，松開(kāi)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.

4、 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(kāi)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?jiàn)A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(kāi)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(kāi)關(guān)、左限位開(kāi)關(guān)和右限位開(kāi)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)

5、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(kāi),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(kāi)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Zl,橫軸移動(dòng)至X2,豎軸下降至Z2;(5)松開(kāi)工件,機(jī)械手

6、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Zl,橫軸移動(dòng)X3,縱軸移動(dòng)Y3,豎軸下降至Z2,松開(kāi)工件;(10)豎軸上升,X回原點(diǎn),Y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X1、X2、X3三個(gè)工位, 在Y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(guò)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)

7、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)崿F(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。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(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)、Y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(kāi)、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(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、Y脈沖輸出、X方向控制、Y方向控制、啟動(dòng)準(zhǔn)備、伺服X報(bào)警、伺服Y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分配六、

9、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,由于FX2N系列沒(méi)有專門(mén)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Y2控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,通過(guò)試驗(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Y2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)?；卦c(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,

10、由各個(gè)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕來(lái)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(kāi)關(guān)或者按鈕松開(kāi)。手動(dòng)的按鈕有X軸左移、X軸右移、Y軸前進(jìn)、Y軸后退、Z軸上升、Z軸下降、手動(dòng)吸附和手動(dòng)松開(kāi)。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(kāi)關(guān)的常開(kāi)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

11、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(kāi)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(pán)松開(kāi)。手動(dòng)控制程序的流程圖如圖5所示：圖5 手動(dòng)控制程序流程圖根據(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。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PLSY指令。如圖7所示：圖7 X軸的PLSY指令3. Y軸手動(dòng)控制對(duì)于Y軸的前進(jìn)和后退,其基本原理與X軸的移動(dòng)相似,只

12、是脈沖輸出口變?yōu)閅l,方向控制輸出為Y3。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器變?yōu)镈10和D11,方向Y3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。圖8 Y軸手動(dòng)移動(dòng)程序在執(zhí)行Y軸的移動(dòng)時(shí),同樣需要執(zhí)行在Y軸回原點(diǎn)過(guò)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(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。圖10 Z軸手動(dòng)移動(dòng)程序5. 夾緊和松開(kāi)控制手動(dòng)夾緊和松開(kāi)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

13、、單步）時(shí)，按一次操作按鈕自動(dòng)運(yùn)行方式開(kāi)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(méi)有工件時(shí)才能開(kāi)始下降，應(yīng)在右工位設(shè)置有無(wú)工件檢測(cè)裝置。本題使用光耦合器VLC來(lái)檢測(cè)工作臺(tái)上有沒(méi)有工件。根據(jù)上述控制要求，操作盤(pán)上要設(shè)置：一個(gè)PLC的電源開(kāi)關(guān)（不占輸入點(diǎn)）；一個(gè)工作方式選擇開(kāi)關(guān)和一個(gè)動(dòng)作方式選擇開(kāi)關(guān)，通過(guò)這兩個(gè)開(kāi)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(kāi)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)

14、。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

15、上升至Zl, X軸回原點(diǎn)、Y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。圖11 自動(dòng)控制流程圖七、 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

16、、 制作電氣控制柜和控制盤(pán)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(pán)（或稱操作盤(pán)）的設(shè)計(jì)和制作。在動(dòng)手制作之前，要畫(huà)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題和不足，通過(guò)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，以免由于工作的盲目性而隱藏了應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。另外，程序調(diào)試完畢必須經(jīng)過(guò)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(xiě)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(xiě)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(xiě)