#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使用任課教師：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。（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)

2、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)出滿足控制要求的使用程序。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， 下降到右

3、工位壓動(dòng)下限位開關(guān) （兩個(gè)工位用一個(gè)下限位開 關(guān)）后自停； 接著機(jī)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(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)械手開始一個(gè)動(dòng)作，

4、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)下工位處進(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 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

5、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. 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

6、松開動(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 Zl,橫軸移動(dòng) X3,縱軸移動(dòng) Y

7、3,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 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)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

8、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)出使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)備和 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)構(gòu)五、 確定 PLC 的 I/O 分配輸

9、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、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

10、。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)X1Y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X11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Y13X1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伺服X-READYX24伺服Y-READY

11、X25工件到位信號(hào)X26工作結(jié)束X27六、設(shè)計(jì)使用程序（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) 回原點(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

12、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 ,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

13、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)和別的物體發(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

14、如圖 5 所示：根據(jù)上述流程圖的原則 ,設(shè)計(jì)手動(dòng)操作程序圖 5 手動(dòng)控制程序流程圖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 ,其基本原理和 X 軸的移動(dòng)相似 ,只是脈沖輸出口變?yōu)?Yl,方向控制輸出為 Y3。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)

15、寄存器變?yōu)?D10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. 夾緊和松開控制 手動(dòng)夾緊和松開的程序如圖 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

16、 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(méi)有工件時(shí)才能開始下降， 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， 操作盤上要設(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(guò)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

17、 ,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 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取；(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

18、上升至 Zl, X 軸移動(dòng)到 X3, Y 軸移動(dòng)到 Y3;(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 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)試使用程序?qū)幒玫某绦颍?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、制作電氣控制柜和控制盤在系統(tǒng)硬件構(gòu)成