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

1、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)上冇沒冇工件。機(jī)械手通常位于原點(diǎn)，它的動(dòng)作全部由氣缸 騾動(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。v左移q4.3（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

2、定控制系統(tǒng)的總休設(shè)計(jì)方案;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。、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，卜降到右工位壓動(dòng)卜限位開關(guān)（兩個(gè)工位用一個(gè)下限位開 關(guān)）后自停；接著機(jī)

3、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。以上三種工作方式屈于口動(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

4、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)卜工位處進(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. 左行和右行口動(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.

5、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。另外還冇”自動(dòng)/手動(dòng)”按鈕,用以選 擇系統(tǒng)的控制方式，按下時(shí)為口動(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xi,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z1,橫軸移動(dòng)至x2,豎軸下降

6、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z1,橫軸移動(dòng)x3,縱軸移動(dòng)y3,豎軸下降至z2,松開工件；(10) 豎軸上升,x回原點(diǎn),y回原點(diǎn)。上述110為一個(gè)動(dòng)作循環(huán)。3總結(jié)在木文中用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)械手可以通過手動(dòng)和自動(dòng)兩 種方式

7、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z上;在口動(dòng)方式下，機(jī)械手根據(jù)編制的口動(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)z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。!1!圖2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案確定輸入/輸出元件，選擇plc機(jī)型木設(shè)計(jì)采用的plc是三菱公司的fx2n系列。plc的硬件結(jié)構(gòu)主耍由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,1/0接口電路是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與 cpu z間的橋梁，通信接口用于和外圍設(shè)備進(jìn)行連

8、接,基本結(jié)構(gòu)如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸輸入cpu出接口1<電源驅(qū)動(dòng)負(fù)載圖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)控制和口動(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、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

9、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)x0x軸脈沖信號(hào)y0y軸原點(diǎn)信號(hào)xiy軸脈沖信號(hào)y1停止x2x軸方向輸出y2手動(dòng)/自動(dòng)x3y軸方向輸出y3手動(dòng)左行x4啟動(dòng)準(zhǔn)備y4手動(dòng)右行x5伺服x報(bào)警y5手動(dòng)前進(jìn)x6伺服y報(bào)警y6手動(dòng)后退x7z軸上升y7手動(dòng)上升x10z軸下降y10手動(dòng)下降xii夾緊y11手動(dòng)夾緊x12工作啟動(dòng)y12手動(dòng)松開x13工作結(jié)束y13xi位置x14機(jī)械手等待y14x2位置x15x3位置x16y1位置x17y2位置x20y3位置x21z1位置x22z2位置x23

10、伺服 x-readyx24伺服 y-readyx25工件到位信號(hào)x26工作結(jié)朿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) 控制捉供參考系。在三菱的plc中，由于fx2n系列沒有專門的冋原點(diǎn)指令，因此采用其plsy 脈沖輸出指令進(jìn)行原點(diǎn)冋歸操作。輸擊端的y2控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,通過試 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)方向麗進(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)。冋原點(diǎn)控制程序的流程圖如圖4所示ms002xo33t卜ugvkcrs

11、7k!ovdod：必y002里3d814odcm3 nms029r5twov ko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)控制方式吋,”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”、”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”。為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在手動(dòng)程序 中設(shè)置了必耍的軟件聯(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

12、動(dòng)和y軸的前后移動(dòng)。i大i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¥11 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：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)，按下控制而板上的”手動(dòng)左移”或者

13、”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。x003x001卄x000m23x002yq07x002x001卄x005y006y006x022 卄x022 卄icl妬加y007井x003-x005卄x00-kom23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：3. y軸手動(dòng)控制對(duì)于y軸的前進(jìn)和后退，英基本原理與x軸的移動(dòng)相似，只是脈沖輸出口變?yōu)?y1,方向控制輸出為y3。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器變?yōu)閐10和d11,方向y3置位時(shí)為后 退方向，復(fù)位吋為前進(jìn)方向，手動(dòng)前進(jìn)的程序如圖8所示。x007卄x

14、ooc 卄吃2m22x021史1井x001x002x0c2卄x007y006yootmov1£?1rstxsooy003d10dllx002x022卄x006yod6-k-y007m22koy003-跡d10e0d11<m1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)過程中用到的plsy指令, 如圖9所示。i ml1 | l5y dio dlly0014. 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。x003x010xd02 x011m21u22m25u24t11打妬kpr_打折ko ->y010皿>y007）x003x011x

15、023x002x010m21m22m23m2.4tf（ikhkm_打一幷一k0 今y007衛(wèi)y010）圖1() 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。y0l1you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)行和應(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)

16、工作臺(tái)上有沒有工件。根據(jù)上述控制要求，操作盤上耍設(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y1,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,

17、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)z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輸卜降至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(tǒng)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z1,x軸回原點(diǎn)、y軸冋原點(diǎn)；(14) 等待流水線工件到位信號(hào)。以上114形成一個(gè)循環(huán)，為自動(dòng)控制程序的一個(gè)周期，在口動(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

18、。按照此程序流程圖，設(shè)計(jì)機(jī)械手的自動(dòng)操作程序，口j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杷Ｒ苿?dòng)的數(shù)值放入數(shù)據(jù)寄存器屮，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。z下降d松開工件jez軸上升抽光啟動(dòng)機(jī)械手零伶z下岸松開工件迢時(shí)2sz回z1x回旅點(diǎn)iz下障吸附工件延時(shí)2sz上升x右移y肋移圖11自動(dòng)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(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，使程序基木滿足控制耍求。八、制作電氣控制柜和控制盤在系統(tǒng)碩件構(gòu)成方案確定z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。在控制主冋路 吋，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，以免由于工作的盲口性而隱 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(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