畢業(yè)設(shè)計31機械手的PLC控制設(shè)計

1 摘要 機械手 技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。 本次設(shè)計采 日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2N 系列可編程控制器 對機械手進行運動控制 ，根據(jù)機械手的運動規(guī)律：左右、上下、夾松等進行軟件編程。 PLC 有如下特點：高可靠性、 豐富的 I/O 接口模塊 、 采用模塊化結(jié)構(gòu) 、 編程簡單易學(xué) 、 安裝簡單，維修方便 等。 本設(shè)計中 PLC 實現(xiàn)的功能 有： 開關(guān)量的邏輯控制 、 運動控制 、 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理 、 位置控制 等。 此次機械手的 PLC 控制設(shè)計包括：機械手傳送工件系統(tǒng)、 輸入和輸出點分配表 、 原理接線圖 、 操作系統(tǒng) 、 機械手傳送系統(tǒng)梯形圖 、 指令語句表 。 首先， 機械手傳送工件系統(tǒng) 通過示意圖 闡述了 其作用是將工件從點傳遞到點。機械手的升降和左右移行作分別由兩個具有雙線圈的兩位電磁閥驅(qū)動液壓缸來完成，其中上升與下降對應(yīng)電磁閥的線圈分別為 YV3 與 YV1，左行、右行對應(yīng)電磁閥的線圈分別為 YV5 與 YV4。 機械手的夾緊、松開的動作由只有一個線圈的兩位電磁閥驅(qū)動的液壓缸完成，線圈 (YV2)通電夾住工件，線圈 (YV2)斷電，松開工件。機械手的工 作臂都設(shè)有下、上限位和右、左限位的位置開關(guān) SQ1、 SQ2和 SQ3、 SQ4，夾持裝置不帶限位開關(guān)，它是通過一定的延時來表示其夾持動作的完成。機械手在最上面、最左邊的狀態(tài)為機械手的原位。 這里還說明了 操作面板上各旋鈕、按鈕的作用。 其次， 輸入和輸出點分配表 指出此次設(shè)計 選用 FX2N-40MR 的 PLC，系統(tǒng)共有16 個輸入設(shè)備和 6 個輸出設(shè)備分別占用 PLC 的 16 個輸入點和 6 個輸出點 。具體 2 分配請查看表 1。 再次， 原理接線圖 表明了 I/O 口的連接關(guān)系。 然后， 操作系統(tǒng) 中 包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖 4 所示，此操作系統(tǒng)的原理在文中有細(xì)致說明。 回原點程序 如圖 5 所示。用S10S12 作回零操作元件。當(dāng)用 S10S19 作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復(fù)位 前應(yīng)使特殊繼電器 M8043 置 1；手動單步操作程序 如圖 6 所示上升 /下降，左移 /右移都有聯(lián)鎖和限位保護； 自動連續(xù)操作程序 中對自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序功能圖做出了具體的說明。 接下來是機械手傳送系統(tǒng)梯形圖，如圖 8 所示。圖中從第 0 行到第 27 行為回原位狀態(tài)程序。從第 28 行到第 66 行，為手動單步操作程序。從第 67 行到第129 行為自動操作程序。這三部分程序（又稱為模塊）是圖 4 的操 作系統(tǒng)運行的。 最后是指令語句表是對梯形圖的補充。 機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置 ， 機械手在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用 。 傳統(tǒng)工藝中采用繼電器控制時，需要的繼電器多 ， 線復(fù)雜，因此故障多，維修困難，費時費工，不僅加大了成本，而且影響設(shè)備的工效。采用梯形控制直觀易懂，為電氣人員所熟悉；采用 PLC控制使接線 簡化，安裝方便，而且保證運行的可靠性，減少維修量，提高了工效。 3 目錄 摘要 . 1 目錄 . 3 P L C 控制機械 手 設(shè) 計 . 4 1. 引言 . 4 2. PLC 特點 . 4 3. 本設(shè)計中 PLC 實現(xiàn)的功能 . 6 4. 機械手傳送工件系統(tǒng) . 6 5. 輸入和輸出（ I/O）點分配表 . 8 6. 原理接線圖 . 10 7. 操作系統(tǒng) . 11 8. 機械手傳送系統(tǒng)梯形圖 . 15 9. 指令語句表 . 18 10. 結(jié)論 . 21 11. 參考文獻 . 21 4 P L C 控 制 機 械 手 設(shè) 計 1. 引言 可編程控制器（以下簡稱 PLC）從其產(chǎn)生到現(xiàn)在，實現(xiàn)了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步；其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大，實現(xiàn)了單體設(shè)備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務(wù)的跨越。今天的 PLC 在處理模擬 量、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡(luò)的各方面能力都已大幅提高，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。 PLC 是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的電控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現(xiàn)控制，而主要靠運行存儲于 PLC 內(nèi)存中的程序，進行入出信息變換實現(xiàn)控制 。 PLC 基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而 PLC 則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考 慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，抗干擾等問題。 機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 本次設(shè)計采 日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2N 系 列可編程控制器 對 機械手進行運動控制 ，根據(jù)機械手的運動規(guī)律：左右、上下、夾松等進行軟件編程。 2. PLC 特點 2.1 高可靠性 5 (1) 所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 (2) 各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 1020ms. (3) 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 (4) 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 (5) 對采用的器件進行嚴(yán)格的篩選。 (6) 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟 、 硬件發(fā)生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。 (7) 大型 PLC還可以采用由雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU構(gòu) 成表決系統(tǒng) ,使可靠性更進一步提高。 2.2 豐富的 I/O 接口模塊 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流 、 開關(guān)量或模擬量 、 電壓或電流 、 脈沖或電位 、 強電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕 、 行程開關(guān) 、 接近開關(guān) 、 傳感器及變送器 、 電磁線圈 、 控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 -機對話的接口模塊 ； 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊 等等。 2.3 采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 的各個部件，包括 CPU、 電源 、 I/O 等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 2.4 編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式 。 對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 2.5 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相 連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行 6 和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。 3. 本設(shè)計中 PLC 實現(xiàn)的功能 1. 開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 ,它取代傳統(tǒng)的繼電器電路 ,實現(xiàn) 組合 邏輯控制、順序 邏輯 控制 與定時控制。 2. 運動控制 PLC使用專用的指令或運動控制模塊，對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進行控制，使運動控制與順序控制功能有機結(jié)合在一起。 3. 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理 目前 PLC都具有數(shù)據(jù)處理指令、數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)與邏輯運算指令和循環(huán)位移與移位指令，所以由 PLC構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便地對生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行采集、分析和加工處理。數(shù)據(jù)處理通常應(yīng)用于機械手的控制系統(tǒng)中。 4. 位置控制 位置控制是指 PLC 使用專用的位置控制模塊來控制步進電動機或伺服電動機，從而實現(xiàn)對各種機械構(gòu)件的運動控制，如控制構(gòu)件的速度、位移、運動方向等。機械手的位置控制就是 PLC 的位置控制的典型應(yīng)用 。 4. 機械手 傳送工件系統(tǒng) 如圖 1 所示是一臺工件傳送的機械手的動作示意圖，其作用是將工件從點傳遞到點。機 械手的升降和左右移行作分別由兩個具有雙線圈的兩位電磁閥驅(qū)動液壓缸來完成，其中上升與下降對應(yīng)電磁閥的線圈分別為 YV3 與 YV1，左行、右行對應(yīng)電磁閥的線圈分別為 YV5 與 YV4。一旦電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的動作，直到相對的另一線圈通電為止。機械手的夾緊、松開的動作由只有一個線圈的兩位電磁閥驅(qū)動的液壓缸完成，線圈 (YV2)通電夾住工件，線圈 (YV2)斷電，松開工件。機械手的工作臂都設(shè)有下、上限位和右、左限位的位置開關(guān)SQ1、 SQ2 和 SQ3、 SQ4，夾持裝置不帶限位開關(guān)，它是通過一定的延時來表示其 7 夾持動作的完 成。機械手在最上面、最左邊的狀態(tài)為機械手的原位。 圖 1 機械手傳送示意 機械手的操作面板分布情況如圖 2 所示，機械手具有手動、自動和回原位 8 五種工作方式，用開關(guān) SA 進行選擇。 手動工作方式時，用各操作按鈕（ SB1、 SB2、SB3、 SB4、 SB5、 SB6、 SB7、 SB8、 SB9、 SB10、 SB11）來點動執(zhí)行相應(yīng)的各動作；自動工作方式時，動作將自動執(zhí)行；返回原位工作方式時，按下“回原位”按鈕SB11，機械手自動回到原位狀態(tài)。 圖 2 機械手操作面板 5. 輸入 和輸出（ I/O） 點分配表 PLC 是一種工業(yè)控制 系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，工作環(huán)境是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 接口模塊來實現(xiàn)的。 通過 I/O 接口模塊可以檢測被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制信息對被控對象進行控制。同時通過 I/O 接口模塊將控制器的處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，從而驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)控制。 PLC 從現(xiàn)場收集的信息及輸出給外部設(shè)備的控制信號都需經(jīng)過一定距離，為了確保這些信息的正確無誤， PLC 的 I/O 接口模塊都具有較好的抗干擾能力。 此次設(shè)計 選用 FX2N-40MR 的 PLC，系統(tǒng)共有 16 個輸入設(shè)備和 6 個輸出設(shè)備分別占用 PLC 的 16 個輸入點和 6 個輸出點 。 具體 分配 見表 1。 9 表 1 機械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表 名 稱 代號 輸入 名 稱 代號 輸入 名 稱 代號 輸出 啟動 SB1 X0 夾緊 SB5 X10 電磁閥下降 YV1 Y0 下限行程 SQ1 X1 放松 SB6 X11 電磁閥夾緊 YV2 Y1 上限行程 SQ2 X2 單步上升 SB7 X12 電磁閥上升 YV3 Y2 右限行程 SQ3 X3 單步下降 SB8 X13 電磁閥右行 YV4 Y3 左 限行程 SQ4 X4 單步左移 SB9 X14 電磁閥左行 YV5 Y4 停止 SB2 X5 單步右移 SB10 X15 原點指示 EL Y5 手動操作 SB3 X6 回原點 SB11 X16 連續(xù)操作 SB4 X7 工件檢測 SQ5 X17 10 6. 原理接線圖 圖 3 I/O 接線圖 11 7. 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖 4所示。 圖 4 機械手操作系統(tǒng)程序梯形圖 其原理是： 把旋鈕置于 回原點， X16 接通，系統(tǒng)自動回原點， Y5 驅(qū)動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則 X6 接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（ CJ 為一跳轉(zhuǎn)指令，如果 CJ 驅(qū)動，則跳到指針 P 所指 P0 處），執(zhí)行手動程序。之后，由于X7 常閉觸點，當(dāng)執(zhí)行 CJ 指令時，跳轉(zhuǎn)到 P1 所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動位置，（既 X6 常閉閉合、 X7 常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。 12 7.1 回原點程序 回原位程序如圖 5 所示。用 S10S12 作回零操作元件。 請 注意，當(dāng)用 S10S19作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器 M8043 置 1。 圖 5 回原位狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序功能圖 13 7.2 手動單步操作程序 如圖 6 所示。圖中上升 /下降，左移 /右移都有聯(lián)鎖和限位保護。 圖 6 手動單步操作程序梯形圖 14 7.3 自動操作程序 圖 7 自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序功能圖 15 自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序功能圖的說明： 自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖 7 所示。當(dāng)機械手處于原位時，按啟動 X0 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S20，驅(qū)動下降 Y0，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位使行程開關(guān) X1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S21，而 S20 自動復(fù)位。 S21 驅(qū)動 Y1 置位，延時 1 秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng) T0 接通，狀態(tài) 轉(zhuǎn)移到 S22，驅(qū)動 Y2 上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位， X2 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S23。 S23 驅(qū)動 Y3 右移。 移到最右位， X3 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S24 下降。下降到最低位， X1 接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時 1 秒。延時時間到， T1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S26 上升。上升到最高位， X2 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S27 左移。左移到最左位，使 X4 接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循