基于plc控制的气动机械手设计.doc

i 目目 录录 摘摘 要要 iv 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 气动机械手的应用领域 1 1 2 机械手的发展状态及前景方向 1 1 3 本课题的研究目的与意义 1 第二章第二章 气压传动的工作原理气压传动的工作原理 3 2 1 气压传动概述 3 2 1 1 气压传动组成及工作原理 3 2 1 2 气压传动系统的组成 3 2 1 3 气压传动的优点 3 2 1 4 气压传动的缺点 3 2 2plc 与气压控制 4 2 2 1 基础气压 4 2 2 2plc 与气压过程控制 6 2 3 电磁阀应用技术 13 2 3 1 概述 13 2 3 2 电磁阀的应用领域 14 2 3 3 电磁阀的种类及工作原理 15 2 3 4 电磁阀的特点 15 2 3 5 电磁阀的应用 16 第三章第三章 fx 系列可编程控制器系列可编程控制器 20 3 1 plc 概述 20 3 1 1 plc 的历史及发展 20 3 1 2 plc 的应用领域 21 3 1 3 plc 的特点 22 3 2 fx 系列 plc 23 3 2 1 fx2n 结构特点及硬件配置 23 3 2 2 可编程控制器的软元件的作用和功能 25 第四章第四章 机械手机械手 plc 控制系统总体设计方案概述控制系统总体设计方案概述 27 4 1 机械手 plc 控制系统总体设计 27 4 2 机械手传送工件系统示意图 27 4 3 机械手输送系统 i o 接口分配表 28 4 4 机械手控制系统的工作原理和运行模式 30 4 5 机械手 plc 控制程序设计 31 4 6 各运行模式下程序设计 32 4 6 1 初始化程序 32 4 6 2 手动运行程序设计 32 4 6 3 回原点运行程序设计 32 4 6 4 自动运行程序设计 33 摘 要 ii 第五章第五章 总结与展望总结与展望 36 5 1 设计总结 36 5 2 前景展望 36 致致 谢谢 37 参考文献参考文献 38 目 录 iii 摘摘 要要 在生产中广泛存在着很多不能直接由人手完成的工作 尤其是搬运笨重 物体或在高温 高压 低温 低压 粉尘 易爆 有毒气和放射性等恶劣的 环境下工作 人工在这样环境下生产 不仅效率低 生产成本高 企业的竞 争能力差 而且还会危及人的生命安全 针对上述问题 本课题利用 plc 技术 结合气动技术 位置控制技术设计了一种安全高效的气动机械手控制 系统 来代替人进行正常工作 大大提高生产的机械化水平和劳动生产率 保证产品质量 实现安全生产 本系统利用各种检测装置进行位置检测 再通过 plc 做出相应的控制 来模拟人手的部分动作 按给定的顺序 轨迹和要求实现自动搬运 抓举等 操作 可以广泛应用于汽车 交通 运输等各行各业 本系统由于采用的是 plc 作为主控制器 比起其他控制器更易实现机电一体化 也更适合在工业 等恶劣环境下工作 本系统具有很强的实用性和广泛的应用范围 它操作简单 具有良好的 扩展性和可靠性 plc 软件编程简单 易于修改 只要通过修改相应软件程 序 就实现更多更强的功能 因此在生产实际中具有很高的实际应用价值 关键词关键词 机械手 plc 电磁阀 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 气动机械手的应用领域气动机械手的应用领域 由于气压传动系统使用安全 可靠 可以在高温 震动 易燃 易爆 多 尘埃 强磁 辐射等恶劣环境下工作 而气动机械手作为机械手的一种 它具 有结构简单 重量轻 动作迅速 平稳 可靠 节能和不污染环境 容易实现 无级调速 易实现过载保护 易实现复杂的动作等优点 所以 气动机械手被 广泛应用于汽车制造业 半导体及家电行业 冶金 电子 轻工 化肥和化工 食品和药品的包装 精密仪器和军事工业等 1 2 机械手的发展状态机械手的发展状态及前景方向及前景方向 机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类 专用机械手 它作为整机的 附属部分 动作简单 工作对象单一 具有固定 有时可调 程序 使用大批量的 自动生产 如自动生产线上的上料机械手 自动换刀机械手 装配焊接机械手 等装置 通用机械手 它是一种具有独立的控制系统 程序可变 动作灵活多样 的机械手 它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产 它的工作范围大 定位精度高 通用性强 广泛应用于柔性自动线 在 21 世纪可编程控制器会有更大的发展 从技术上看 计算机技术的新成 果会更多地应用于可编程控制器的设计及制造上 会有运算速度更快 存储容 量更大 组网能力更强的品种出现 从产品规模上看 会进一步向超小型及超 大型方向发展 从产品的配套性上看 产品的品种会更丰富 规模更齐备 完 美的人机界面 完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求 从市 场上看 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破 会出 现少数几个品牌垄断国际市场的局面 会出现国际通用的编程语言 这是有利 于可编程技术的发展及可编程产品的普及的 从网络的发展情况来看 可编程 控制器和其他工业控制计算机组网 构成大型的控制系统是可编程控制器技术 的发展方向 目前的计算机集散控制系统 distributed control system 及现场 总线控制系统中已有大量的可编程控制器应用 伴随着总线技术及计算机网络 的进一步发展 可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要的组 成部分 将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用 机械手的发展前景方向 1 重复高精度 2 模块化 3 无给油化 4 机电一体化 fx 系列可编程控制器 2 1 3 本课题的研究目的与意义本课题的研究目的与意义 随着工业自动化程度的提高 机械手的应用领域越来越广 机械手能模拟 人的手臂的部分动作 按预定的程序 轨迹及其它要求 实现抓取 搬运工件 或操纵工具 机械手可以代替很多重复性的体力劳动 从而减轻工人的劳动强 度 提高生产效率 目前 对机械手的控制可采用以下几种方式 1 用继电器控制 这种控制系统故障率高 控制方式不灵活且功耗大 已逐渐被人们所淘汰 2 用微机控制 虽然它在智能控制方面有较强大的功能 但它的抗干扰 性差 系统设计复杂 一般维修人员难以掌握其维修技术 广泛应用也不太容 易 3 plc 控制 此控制系统具有运行可靠 使用维修方便 抗干扰性强 能经受恶劣环境的考验等优越性 已经成为在机械手控制系统中使用最多的控 制方式 电磁阀应用技术 3 第第 2 章章 气压传动的工作原理气压传动的工作原理 2 1 气压传动概述气压传动概述 2 1 1 气压传动组成及工作原理气压传动组成及工作原理 气压传动简称气动 是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号 控制和驱动各种机械和设备 以实现生产过程机械化 自动化的一门技术 2 1 2 气压传动系统的组成气压传动系统的组成 1 气源装置 把原动机输出的机械能转变为空气压力能的装置 其主要 设备是空气压缩机 2 控制元件 对压缩空气的压力 流量和流动方向进行控制的装置 以 保证执行元件具有一定的输出力和速度并按设计的程序正常工作 例如压力阀 节流阀 换向阀和逻辑阀等 3 执行元件 把压缩空气的压力能转换成机械能的装置 如气缸和气马 达 4 辅助元件 指用于辅助保证气动系统正常工作的一些装置 如空气过 滤器 消声器和油雾器等 5 传动介质 即传递能量的压缩空气 2 1 3 气压传动的优点气压传动的优点 1 空气随处可取 取之不尽 无介质费用和供应上的困难 用后的空气 直接排入大气 对环境无污染 处理方便 不必设置回收管路 因而也不存在 介质变质 补充及更换等问题 2 空气粘度小 约为液压油的万分之一 在管内流动阻力小 压力损失 小 便于集中供气和远距离输送 即使有泄漏 也不会严重影响工作 不会污 染环境 3 和液压相比 气动反应快 动作迅速 维护简单 管路不易堵塞 4 气动元件结构简单 制造容易 适于标准化 系列化 通用化 5 气动系统对工作环境适应性好 特别在易燃 易爆 多尘埃 强磁 辐射 振动等恶劣工作环境中工作时 安全可靠性优于液压 电子和电气系统 6 空气具有可压缩性 使气动系统能够实现过载自动保护 也便于储气 罐储存能量 以备急需 7 排气时气体因膨胀而温度降低 因而气动设备可以自动降温 长期运 行也不会发生过热现象 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 空 压 机 干 燥 机 储 气 槽 气 压 缸 方 向 阀 压源 2 1 4 气压传动的缺点气压传动的缺点 1 由于空气的可压缩性大 所以气动系统的稳定性差 负载变化时对工作 速度的影响较大 速度调节较难 2 气压传动系统工作压力低 输出力较小 且传动效率低 3 气动装置中的信号传递速度仅限于声速范围内 其工作频率和相应速 度远不如电子装置 并且信号要产生较大的失真和延滞 也不便于构成较复杂 的回路 4 需对气源中的杂质及水蒸气进行净化处理 净化处理的过程较复杂 空 气无润滑性能 故在系统中需要润滑处应设润滑给油装置 5 气动系统有较大的排气噪声 使环境恶化 危害人体健康 影响人的情 绪 应设法消除或降低噪声 6 气动系统有泄漏 这是能量的损失 一定量的外泄漏也是允许的 但应 尽可能减少泄漏 2 2plc 与气压控制与气压控制 2 2 1 基础气压基础气压 气压系统基本架构 三点组合 电磁阀应用技术 5 2 气压源 工作压力 4 7 bar 1 kg cm2 0 981 bar 3 三点组合 调理组 调压 滤水 润滑 4 气压缸 单动缸 双动缸 5 方向阀 口与位的观念 一个方块代表一个作动位置 方块内的箭头表示气流的方向 t 代表不通的口 一个作动位置中进气与出气口的总和为口数 作动与复归方式 按钮作动 手炳作动 踏板作动 辊轮作动 气压作动 电磁作动 电磁导引气压作动 弹簧复归 气压复归 电磁复归 电磁导引气压复归 6 基本气压回路 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 2 2 2plc 与气压过程控制与气压过程控制 一 单一流程一 单一流程 a b 皆为双动缸 分别以双边电磁阀控制动作顺序如图 pb on pulse 则系统激活一次循环后自动停止 电磁阀应用技术 7 i o 规划如下规划如下 输入 pb x0 a1 x1 a0 x2 b1 x3 b0 x4 输出 a y0 a y1 b y2 b y3 按下激活开关 start 步骤 步骤 步骤 一开始 run 系统处于待机状态 a 气压缸到达前顶点 b 气压缸后退 a 气压缸到达后顶点 回到步骤 s 0 s 20 s 22 jump s0 x0 x1 x3 步骤 4 步骤 5 a 气压缸前进 b 气压缸前进 b 气压缸到达前顶点 b 气压缸到达后顶点 a 气压缸后退 s 24 x4 s 26 x2 ldm8002 sets0 stls0 rsty0 rsty2 sety1 sety3 ldx0 andx2 andx4 sets20 stls20 rsty1 sety0 ldx1 sets22 stls22 rsty3 sety2 ldx3 sets24 stls24 rsty2 sety3 ldx4 sets26 stls26 rsty0 sety1 ldx2 sets0 ret end 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 二 选择性分歧 二 选择性分歧 a b 皆为双动缸 分别以双边电磁阀控制动作顺序如图 当 pb on 时 a 气压缸来回运动一次 当 pb on 时 b 气压缸来回运动一次 i o 规划如下 规划如下 输入 pb1 x0 pb2 x1 a1 x2 a0 x3 b1 x4 b0 x5 输出 a y0 a y1 b y2 b y3 电磁阀应用技术 9 按下 pb1 一开始 run 系统处于待机状态 a 气压缸到达前顶点 b 气压缸后退 a 气压缸到达后顶点 s 0 s 20 s 22 x0 x2 x3 a 气压缸前进b 气压缸前进 b 气压缸到达前顶点 b 气压缸到达后顶点 a 气压缸后退 s 24 x4 s 26 x1 x5 按下 pb2 jmp s0 ld x3 sets0 stls24 rsty3 sety2 ld x4 sets26 stls26 rsty2 sety3 ld x5 sets0 ret end ldm8002 sets0 stls0 rsty0 rsty2 sety1 sety3 ld x0 sets20 ld x1 sets24 stls20 rsty1 sety0 ld x2 sets22 stls22 rsty0 sety1 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 三 并进式分歧 三 并进式分歧 a b 皆为双动缸 分别以双边电磁阀控制动作顺序如图 当 pb on 时 a 气压缸来回运动一次同时 b 气压缸来回运动一次 i o 规划如下规划如下 输入 pb x0 a1 x2 a0 x3 b1 x4 b0 x5 输出 a y0 a y1 b y2 b y3 电磁阀应用技术 11 按下 pb 一开始 run 系统处于待机状态 a 气压缸到达前顶点 b 气压缸后退 a 气压缸到达后顶点 s 0 s 20 s 22 x0 x2 x3 a 气压缸前进b 气压缸前进 b 气压缸到达前顶点 b 气压缸到达后顶点 a 气压缸后退 s 24 x4 s 26 x5 jmp s0 ldm8002 sets0 stls0 rsty0 rsty2 sety1 sety3 ldx0 sets20 sets24 stls20 rsty1 sety0 ldx2 sets22 stls22 rsty0 sety1 stls24 rsty3 sety2 ldx4 sets26 stls26 rsty2 sety3 stls22 stls26 ldx3 andx5 sets0 ret end 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 2 3 电磁阀应用技术电磁阀应用技术 2 3 1 概述概述 在压力调节方面 减压阀得到了广泛的应用 但几乎所有的减压阀都存在 着压力调节方面问题 采用减压阀只能进行某一压力值的调节 如果需要调节 到其它的压力值 则需要人工进行调节 人工进行调节需要根据经验 与操作 人员的操作熟练程度相关 此外还需要采用专用的调节设备和花费一定的调节 时间 在某些特殊的条件下 如在试验过程中存在危险的情况 则不能进行压 力的调节 根据减压阀的这一特点 工程上也采用了步进电机结合减压阀来调 整出口压力值 但这一做法明显增加了系统的复杂性 减压阀出口压力的调整 精度不高 流量跨度较大时 减压阀出口压力的调整精度受到的影响就更大 减压阀自身特性是导致出口压力调整精度不高的主要原因 减压阀下游易 出现超雁情况 由于减压阀设计过程中的密封比压一般并不是很高 因此减压 阀下游超压情况很常见 在空间推进系统的设计中一般还采用了安全阀来防止 减压阀超压 减压阀需要采用措施去防止 呜叫 现象 由于减压阀有着较大 的低压腔 因此易于出现 呜叫 现象 采取一定的措施后才能够减弱此现象 而采用电磁阀调节压力相比于采用减压阀调节压力 电磁阀调节压力可进 行多种压力值的调节 出口压力的调整精度也可以控制得更高 而且在弹簧力 和压力差的共同作用下 密封比压很高 密封更可靠 此外由于不存在低压腔 不会产生 呜叫 现象 2 3 2 电磁阀的应用领域电磁阀的应用领域 电磁阀技术与控制技术 计算机技术 电子技术相结合 已经能够进行多 种复杂的控制 比如可以把电磁阀应用在智能控制领域 应用在无线控制技术 等方面 电磁阀正是因为能够用电磁进行控制 所以它能与现在的各种电子系 统很好地接口 这也是它得到广泛应用的一个主要原因 电磁阀已经广泛地应 用在生产的各个领域中 随着电磁控制技术和制造工艺的提高 电磁阀能够实 现更加精巧的控制 为实现不同的气动系统 液压系统发挥它的作用 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件 属于执行器 并不限于液压 气动 电磁阀用于控制液压流动方向 工厂的机械装置一般都由液压钢控制 所以就会用到电磁阀 电磁阀是用电磁控制的工业设备 用在工业控制系统中调整介质的方向 流量 速度和其他的参数 电磁阀有很多种 不同的电磁阀在控制系统的不同 位置发挥作用 最常用的是单向阀 安全阀 方向控制阀 速度调节阀等 电 磁阀是用电磁的效应进行控制 主要的控制方式由继电器控制 这样 电磁阀 电磁阀应用技术 13 可以配合不同的电路来实现预期的控制 而控制的精度和灵活性都能够保证 以气动系统为例子说明电磁阀在工业控制中的应用 所谓气动系统 就是以气 体为介质的控制系统 气动系统中 这种能源的介质通常就是空气 在真正使 用的时候 通常把大气中的空气的体积加以压缩 从而提高它的压力 压缩空 气主要通过作用于活塞或叶片来作功 气动系统中 电磁阀的作用就是在控制 系统中按照控制的要求来调整压缩空气的各种状态 气动系统还需要其他元件 的配合 其中包括动力元件 执行元件 开关 显示设备及其它辅助设备 动 力元件包括各种压缩机 执行元件包括各种气缸 这些都是气动系统中不可缺 少的部分 而阀体是控制算法得以实现的重要设备 比如单向阀让压缩空气从 压缩机进入气罐 当压缩机关闭时 阻止压缩空气反方向流动 安全阀当储气 罐内的压力超过允许限度 可将压缩空气排出 方向控制阀通过对气缸两个接 口交替地加压和排气 来控制运动的方向 速度调节阀能简便实现执行元件的 无级调速 2 3 3 电磁阀的种类及工作原理电磁阀的种类及工作原理 电磁阀里有密闭的腔 在的不同位置开有通孔 每个孔都通向不同的油管 腔中间是阀 两面是两块电磁铁 哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边 通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔 而进油孔是常开的 液压 油就会进入不同的排油管 然后通过油的压力来推动油刚的活塞 活塞又带动 活塞杆 活塞竿带动机械装置动 这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运 动 1 直动式电磁阀 有常闭型和常开型二种 常闭型断电时呈关闭状态 当线圈通电时产生电 磁力 使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接开启阀 介质呈通路 当线圈断 电时电磁力消失 动铁芯在弹簧力的作用下复位 直接关闭阀口 介质不通 结构简单 动作可靠 在零压差和微真空下正常工作 常开型正好相反 2 分步直动式电磁阀 该阀采用一次开阀和二次开阀连在一体 主阀和导阀分步使电磁力和压差 直接开启主阀口 当线圈通电时 产生电磁力使动铁芯和静铁芯吸合 导阀口 开启而导阀口设在主阀口上 且动铁芯与主阀芯连在一起 此时主阀上腔的压 力通过导阀口卸荷 在压力差和电磁力的同时作用下使主阀芯向上运动 开启 主阀介质流通 当线圈断电时电磁力消失 此时动铁芯在自重和弹簧力的作用 下关闭导阀孔 此时介质在平衡孔中进入主阀芯上腔 使上腔压力升高 此时 在弹簧复位和压力的作用下关闭主阀 介质断流 结构合理 动作可靠 在零 压差时工作也可靠 3 间接先导式电磁阀 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 14 该系列电磁阀由先导阀和主阀芯联系着形成通道组合而成 常闭型在未通 电时 呈关闭状态 当线圈通电时 产生的磁力使动铁芯和静铁芯吸合 导阀 口打开 介质流向出口 此时主阀芯上腔压力减少 低于进口侧的压力 形成 压差克服弹簧阻力而随之向上运动 达到开启主阀口的目的 介质流通 当线 圈断电时 磁力消失 动铁芯在弹簧力作用下复位关闭先导口 此时介质从平 衡孔流入 主阀芯上腔压力增大 并在弹簧力的作用下向下运动 关闭主阀口 常开式原理相反 2 3 4 电磁阀的特点电磁阀的特点 1 适用性 管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致 流体的温 度必须小于选用电磁阀的标定温度 流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤 器 一般电磁阀对介质要求清洁度要好 注意流量孔径和接管口径 电磁阀一 般只有开关两位控制 条件允许请安装旁路管 便于维修 有水锤现象时要定 制电磁阀的开闭时间调节 同时还要注意环境温度对电磁阀的影响 2 可靠性 电磁阀分为常闭和常开二种 一般选用常闭型 通电打开 断电关闭 但 在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了 动作时间很短频率较高时一般 选取直动式 大口径选用快速系列 3 安全性 一般电磁阀不防水 在条件不允许时请选用防水型 电磁阀的最高标定公 称压力一定要超过管路内的最高压力 否则使用寿命会缩短或产生其它意外情 况 有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型 强腐蚀性流体宜选用塑料王 slf 电 磁阀 爆炸性环境必须选用相应的防爆产品 2 3 5 电磁阀的应用电磁阀的应用 在气动技术中 2 位 3 通阀 3 2 阀 常被用于控制单作用气缸的简单回路 中 或是用于开关阀来使用 虽然 3 2 阀结构简单 功能相对单一 但是 3 2 阀 经过组合后 会带来很多更高级的作用 巧用 3 2 阀在工业生产中有很大意义 不仅可以节省成本 还可以提高整个气动回路的安全性和可靠性 在控制双作用气缸的典型回路中 大家通常是使用 2 位 5 通阀 5 2 阀 作用控制元件 在电气气动回路中 一般选用 5 2 双电控 电磁阀 如图 3 1 所示 电磁阀应用技术 15 图 3 1 2 位 5 通双电控电磁阀 图为双作用气缸的控制回路 气体经二联件或三联件处理后 进入 5 2 双电 控电磁阀 该阀可以控制无杆气缸 双作用气缸或摆动气缸 但当用 plc 控制电磁线圈时 若 1m1 得电 1m2 失电 管路 1 4 导通 气 缸滑块向右运动 若 1m2 得电 1m1 失电 管路 1 2 导通 气缸滑块向左滑动 如图 3 2 所示 图 3 2 双电控电磁阀原理 在上述 plc 控制顺序中 两个电磁线圈只有一个得电一个失电的情况下 气缸才能运动 即两个线圈的状态为 1 0 或 0 1 但是 我们不能保证 plc 的 程序在初次调试时万无一失 无法保证程序的编写没有错误 或者也不能保证 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 16 plc 在正常运行时由于各种因素 程序被干扰 一旦出现错误 机械手上下运 动 且携带重物 会造成严重的后果 可见 5 2 双电控电磁阀在控制上是存在先天不足的 原因在于它的两个线 圈只能有 1 0 和 0 1 两种状态 而一旦出现 1 1 和 0 0 的状态时 换向阀就不知 道如何运动了 因为经过试验表明 当同时给两个线圈得电时 换向阀阀芯如 何运动无法评估 有时会向左 有时会向右 且无固定概率 但是当出现 1 1 时 绝对不会出现线圈烧毁的问题 如果想解决由于程序问题而造成的故障 我们只能更换 5 2 双电控电磁阀 寻找一种新的换向阀代替它 而最保险 最可靠 成本最低的选择就是使用两 个 3 2 单电控电磁阀 无论该阀是常开型还是常闭型 只要保证两个电磁阀的类 型一样即可 控制回路如图 3 3 所示 图 3 3 两同类型 3 2 单电控电磁阀 图中 我们把一个 5 2 双电控电磁阀换成两个同类型的 3 2 单电控电磁阀 在 plc 控制中 如果 1m1 得电 2m1 失电 气缸滑块向右移动 即 1 0 状态 如果 2m1 得电 1m1 失电 气缸滑块向左运动 即 0 1 状态 如果 1m1 和 2m1 都得电 气缸滑块保持不动 即 1 1 状态 但是气缸活塞两端充满气体 压力相 等 如果 1m1 和 2m1 都失电 气缸滑块保持不动 即 0 0 状态 但是气缸活塞 两端无气体 压力为零 这样 无论程序出现问题 电磁阀都可以保证在 1 0 0 1 1 1 和 0 0 四个 状态下都有稳定的运动状态 由于机械手需要携带重物作上下运动 所以最好 选用常闭型的电磁阀 当 1 1 状态下气缸活塞两端压力为零 0 0 状态下气缸活 塞两端充满气体 这样才更安全 电磁阀应用技术 17 可见 3 2 电磁阀虽然结构最简单 但是灵活运用会带来很大的好处 而对 于 5 2 双电控电磁阀来说 虽然使用场合很多 而由于其自身结构的缺点 在使 用时一定要注意安全隐患 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 18 第三章第三章 fx 系列可编程控制器系列可编程控制器 3 1 plc 概述概述 可编程控制器 plc 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作 的电子装置 它采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的 输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 plc 及其有关的外围设备都应 按照易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 作为通用工业控制计算机 30 多年来 可编程控制器从无到有 实现了工 业控制领域接线逻辑到储存逻辑的飞跃 其功能从弱到强 实现了逻辑控制到 数字控制的进步 其应用领域从小到大 实现了单体设备简单控制到胜任运动 控制 过程控制及集散控制等各种任务的跨越 今天的可编程控制器正在成为 工业控制领域的主流控制设备 在世界工业控制中发挥着越来越大的作用 3 1 1 plc 的历史及发展的历史及发展 世界上公认的第一台 plc 是 1969 年美国数字设备公司研制的 限制当时的 元件条件及计算机发展水平 早期的 plc 主要由分立元件和小规模集成电路组 成 可以完成简单的逻辑控制及定时 计数功能 20 世纪 70 年代初出现了微处 理器 人们很快将其引入可编程控制器 使 plc 增加了运算 数据传送及处理 等功能 成为真正具有计算机特征的工业控制装置 为了方便熟悉继电器 接 触器系统的工程技术人员使用 可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形 图作为主要编程语言 并将参加运算及处理的计算机存储单元都以继电器命名 因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物 20 世纪 70 年代中末期 可编程控制器进入了实用化发展阶段 计算机技术 已全面引入可编程控制器中 使其功能发生了飞跃 更高的运算速度 超小型 的体积 可靠的工业抗干扰设计 模拟量运算 pid 功能及极高的性价比奠定了 它在现代工业中的地位 20 世纪 80 年代初 可编程控制器在先进工业国家中已 获得了广泛的应用 这个时期可编程控制器发展的特点是大规模 高速度 高 性能 产品系列化 这标志着可编程控制器已步入成熟阶段 20 世纪末期 可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要 从控制规模上来说 这个时期发展了大型机及超小型机 从控制能力上来说 诞生了各种各样的特殊功能单元 用于压力 温度 转速 位移等各种各样的 控制场合 从产品的配套能力来说 生产了各种人机界面单元 通讯单元 使 应用可编程控制器的工业控制系统配套更加容易 在 21 世纪可编程控制器会有更大的发展 从技术上看 计算机技术的新成 果会更多地应用与可编程控制器的设计及制造上 会有运算速度更快 存储容 电磁阀应用技术 19 量更大 组网能力更强的品种出现 从产品规模上看 会进一步向超小型方向 及大型方向发展 从产品的配套性上看 产品的品种会更丰富 规模更齐备 完美的人机界面 完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求 从 市场上看 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破 会 出现少数几个品牌垄断国际市场的局面 会出现国际通用的编程语言 这是有 利于可编程技术的发展及可编程产品的普及的 从网络的发展情况来看 可编 程控制器和其他工业控制计算机组网 构成大型的控制系统是可编程控制器技 术的发展方向 目前的计算机集散控制系统及现场总线控制系统中已有大量的 可编程控制器应用 伴随着总线技术及计算机网络的进步发展 可编程控制器 作为自动化控制网络或国际通用网络的重要的组成部分 将在工业及工业以外 的众多领域发挥越来越大的作用 3 1 2 plc 的应用领域的应用领域 机械手最早应用在汽车制造工业 常用于焊接 喷漆 上下料和搬运 机 械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能 它可替代人从事危险 有害 有毒 低温和高热等恶劣环境中的工作 代替人完成繁重 单调重复劳动 提高劳动生 产率 保证产品质量 目前主要应用于制造业中 特别是电器制造 汽车制造 塑料加工 通用机械制造及金属加工等工业 机械手与数控加工中心 自动搬 运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统 fms 和计算机集成制造系统 cims 实现生产自动化 随着生产的发展 功能和性能的不断改善和提高 机械手的 应用领域日益扩大 目前 plc 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电 力 建材 机械制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等行业 使用情 况大致可归纳为如下几类 1 开关量的逻辑控制 这是 plc 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻 辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流 水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流 水线等 2 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位 和速度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 analog 和数字量 digital 之间的 a d 转换及 d a 转换 plc 厂家都生产 配套的 a d 和 d a 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 3 运动控制 plc 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直 接用于开关量 i o 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动控 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 20 制模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上各 主要 plc 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机器 人 电梯等场合 4 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计 算机 plc 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 pid 调节是一般 闭环控制系统中用得较多的调节方法 大中型 plc 都有 pid 模块 目前许多小 型 plc 也具有此功能模块 pid 处理一般是运行专用的 pid 子程序 过程控制 在冶金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 5 数据处理 现代 plc 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以 利用通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大 型控制系统 如无人控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 6 通信及联网 plc 通信含 plc 间的通信及 plc 与其它智能设备间的通信 随着计算机控 制的发展 工厂自动化网络发展得很快 各 plc 厂商都十分重视 plc 的通信功 能 纷纷推出各自的网络系统 新近生产的 plc 都具有通信接口 通信非常方 便 3 1 3 plc 的特点的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 plc 由于采用现代大规模集成电路 技术和严格的生产制造工艺 在内部电路中采用了先进的抗干扰技术 因此具 有很高的可靠性 从 plc 的机外电路来说 使用 plc 构成控制系统 和同等规 模的继电接触器系统相比 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障率也就大大降低 此外 plc 带有硬件故障的自我检测功能 出现故障时 可及时发出报警信息 在应用软件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊 断保护 所以使整个系统的可靠性得到极大提升 2 配套齐全 功能完善 适用性强 性价比高 plc 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用 于各种规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能外 现代 plc 具有完善的数据 运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 plc 新型功能单元的涌现使 plc 迅速渗透到了位置控制 温度控制 cnc 等各种工业控制中 加上 plc 通讯能 电磁阀应用技术 21 力的增加及人机界面技术的发展 使用 plc 组成各种控制系统变得非常容易 与功能相同的继电器系统相比价格也很便宜 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 plc 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近 只使用少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现很复杂 的继电器电路的功能 为了熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使 用计算机从事工业控制打开了方便之门 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 改造容易 plc 用存储逻辑代替接线逻辑 大大地减少了控制设备外部的接线 使控 制系统设计及建造的周期大大缩短了 同时维护也变得容易起来 更重要的是 使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的 生产场合 5 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 plc 为例 底部尺寸小于 100mm 见方 重量小于 150g 功耗仅 数瓦的品种已屡见不鲜 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化 的理想控制设备 3 2 fx 系列系列 plc fx 系列 plc 是三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器 具有较高 的性价比 应用广泛 3 2 1 fx2n 结构特点及硬件配置结构特点及硬件配置 1 fx2n系列产品的结构特点 fx2n系列 plc 采用一体化箱体结构 其基本单元 basic unit 将所有的电 路 含 cpu 存储器 输入输出接口及电源等都装在一个模块内 是一个完整 的控制装置 这样结构紧凑 体积小巧 成本低 安装方便 fx2n系列 plc 基 本单元的输入输出比为 1 1 2 fx2n系列 plc 硬件配置 fx2n 系列 plc 的硬件包括基本单元 可独立工作 扩展单元 扩展模块 模拟量输入 输出 模块 各种特殊功能模块及外部设备等 fx2n 基本单位有 16 32 48 65 80 128 点 6 个基本 fx2n 单元中的 每个单元都可以通过 i o 扩展单元扩充为 256i o 点 其基本单元见表 2 1 fx2n系列 plc 具有丰富的元件资源 有 3072 点辅助继电器 提供了多种 特殊功能模块 可实现过程控制和位置控制 fx2n系列 plc 有 rs 232c rs 422 rs 485 等多种串行通信模块或功能扩展板支持网络通信 fx2n系列 plc 具有较强的数学指令集 使用 32 位处理浮点数 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 22 表 2 1 基本单元一览表 fx2n系列系列 ac 电源电源 dc 输入输入 输入输输入输 出总点出总点 数数 输入点数输入点数输出点数输出点数 继电器输出继电器输出晶闸管输出晶闸管输出 晶体管输晶体管输 出出 1688fx2n 16mr 001 fx2n 16mt 001 321616fx2n 32mr 001fx2n 32ms 001 fx2n 32mt 001 482424fx2n 48mr 001fx2n 48ms 001 fx2n 40mt 001 643232fx2n 64mr 001fx2n 64ms 001 fx2n 64mt 001 804040fx2n 80mr 001fx2n 80ms 001 fx2n 80mt 001 1286464fx2n 128mr 001 fx2n 128mt 001 dc 电源电源 ac 输入型输入型输入输输入输 出总点出总点 数数 输入点数输入点数输出点数输出点数 继电器输出继电器输出晶体管输出晶体管输出 321616fx2n 32mr dfx2n 32mt d 482424fx2n 48mr dfx2n 48mt d 643232fx2n 64mr dfx2n 64mt d 804040fx2n 80mr dfx2n 80mt d fx2n系列 plc 的扩展单元见表 2 2 fx2n系列 plc 扩展模块见表 2 3 表 2 2 扩展单元一览表 ac 电源电源 dc 输入输入输入输输入输 出总点出总点 数数 输入点数输入点数输出点数输出点数 继电器输出继电器输出晶闸管输出晶闸管输出晶体管输出晶体管输出 321616fx2n 32er fx2n 32et 482424fx2n 48er fx2n 48et 表 2 3 扩展模块一览表 输入输输入输 出总点出总点 数数 输入输入 点数点数 输出输出 点数点数 继电器输出继电器输出输入输入晶体管输出晶体管输出 晶闸管晶闸管 输出输出 输入信输入信 号电压号电压 8 16 4 8 4 8 fx0n 8er dc24 v 880 fx0n 8ex dc24 v 808fx0n 16eyr fx0n 8eyt 16160 fx0n 16ex dc24 v 16016fx0n 16eyr fx0n 16eyt 16160 fx2n 16ex dc24 电磁阀应用技术 23 v 16016fx2n 16eyr fx2n 16eyt fx2n 16eys 此外 fx2n系列 plc 还有其他的模块 模拟量输入模块 模拟量输出模块 pid 过程控制模块 定位控制模块 通信模块和通信扩展板和高速计数模块等 3 2 2 可编程控制器的软元件的作用和功能可编程控制器的软元件的作用和功能 在 fx 系列的 plc 中 对于每种继电器都用一定的字母来表示 x 表示输 入继电器 y 表示输出继电器 m 表示辅助继电器 d 表示数据继电器 t 表 示时间继电器 s 表示状态继电器等 并对这些软继电器进行编号 x 和 y 的 编号用八进制表示 1 输入继电器 x 输入继电器与输入端相连 它是专门用来接受 plc 外部开关信号的元件 plc 通过输入接口将外部输入信号状态 接通时为 1 断开时为 0 读入并存储 在输入映像寄存器中 2 输出继电器 y 输出继电器是用来将 plc 内部信号输出传送给外部负载 用户输出设备 的 由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载 3 辅助继电器 m 辅助继电器是 plc 中数量最多的一种继电器 一般的辅助继电器与继电器 控制系统中的中间继电器相似 辅助继电器不能直接驱动外部负载 通用辅助继电器 m0 m499 常在逻辑运算中作为辅助运算 状态暂存 移 位等 fx2n 系列共有 500 点通用辅助继电器 通用辅助继电器在 plc 运行时 如果电源突然断电 则全部线圈均断电 off 断电保持辅助继电器 m500 m3071 共 2572 个断电保持辅助继电器 它与 普通辅助继电器不同的是具有断电保护功能 即能记忆电源中断瞬时的状态 并在重新通电后再现其状态 特殊辅助继电器有 256 个 可分成触点型和线圈型两大类 触点型线圈由 plc 自动驱动 用户只可使用其触点 线圈型线圈由用户程序驱动线圈后 plc 执行特定的动作 1 状态器 s 状态器用来记录系统运行中的状态 是编制顺序控制程序的重要编程元件 它与后述的步进顺控指令 stl 配合应用 状态器有五种类型 初始状态器 so s9 共 1o 点 回零状态器 s10 s19 共 10 点 通用状态器 s2o s499 共 480 点 断电保持的状态器 s5oo s899 共 400 点 报警状态器 可用作外部故障诊断输出 s9oo s999 共 l00 点 2 定时器 t 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 24 plc 中的定时器 t 相当于继电器控制系统中的通电型时间继电器 它可以 提供无限对常开 常闭延时触点 fx2n 系列 plc 中定时器可分为通用定时器 积算定时器两种 它们是通 过对一定周期的时钟脉冲进行累计而实现定时的 时钟脉冲的周期有 1ms 10ms 1ooms 三种 当所计数达到设定值时触点动作 设定值可用常数 k 或数据寄存器 d 的内容来设置 通用定时器的特点 不具备断电的保持功能 即当输入电路断开或停电时定 时器复位 通用定时器有 1ooms 和 10ms 通用定时器两种 积算定时器具有计数累积的功能 在定时过程中如果断电或定时器线圈为 off 积算定时器将保持当前的计数值 当前值 通电或定时器线圈为 on 后继 续累积 即其当前值具有保持功能 只有将积算定时器复位 当前值才变为 o 电磁阀应用技术 25 第四章第四章 机械手机械手 plc 控制系统总体设计方案概述控制系统总体设计方案概述 4 1 机械手机械手 plc 控制系统总体设计控制系统总体设计 机械手的工作是由气缸驱动的 气缸由对应的电磁阀控制 其中 上升 下降和左移 右移分别由双线圈两位置电磁阀控制 例如 当下降电磁阔通电 时 机械手下降 当下降电磁阀断电时 机械手下降停止 只有当上升电磁阀 通电时 机械手才上升 当上升电磁阀断电时 机械手上升停止 同样 左移 右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制 机械手的放松 夹紧由一个单线圈 两位置电磁阀 称为夹紧电磁阀 控制 当该线圈通电时 机械手夹紧 当该线 圈断电时 机械手放松 当机械手右移到位并准备下降时 为了确保安全 必 须在右工作台无工件时才允许机械手下降 也就是说 若上一次搬运到右工作 台上的工件尚未搬走时 机械手应自动停止下降 所以要用光电开关进行无工 件检测 机械手是整个机械设备中的一部分 主要有伸缩臂 升降臂 抓工件 放料 等功能 假设机械手原点处于位置点 初始位 把工件从左工作台搬到右工作台 处加工 该机械手的工作方式有手动和自动循环操作 在单步手动工作方式下 每按一下 开始 按钮 机械手按程序执行一步相应的动作 可实现上升 下 降 伸臂 缩臂 夹紧 放料操作 自动操作方式又分为步进 单周期和连续 操作方式 在自动工作方式下机械手的动作顺序为 下降一夹紧一上升一右移 一下降一放料一上升一左移 回到初始位 按下开始按钮 机械手自动完成一个 周期的动作后停止 当出现异常时按下该站的 急停 按钮 机械手会立刻停 止运动 在系统通电后按下 启动 按钮 下降电磁阀通电 机械手下降 下降到 底时 碰到下限位开关 下降电磁阀断电 下降停止 同时接通夹紧电磁阀 机械手夹紧 夹紧后 上升电磁阀通电 机械手上升 上升到顶时 碰到上限 位开关 上升电磁阀断电 上升停止 同时接通右移电磁阀 机械手右移 右 移到位时 碰到右限位开关 右移电磁阀断电 右移停止 若此时右工作台上 无工件 则光电开关接通 下降电磁阀通电 机械手下降 下降到底时 碰到 下限位开关 下降电磁阀断电 下降停止 同时夹紧电磁阀断电 机械手放 松 放松后 上升电磁阀通电 机械手上升 上升到顶时 碰到上限位开关 上升电磁阀断电 上升停止 同时接通左移电磁阀 机械手左移 左移到原点 时 碰到左限位开关 左移电磁阀断电 左移停止 至此 机械手经过八步动 作完成了一个周期的动作 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 26 4 2 机械手传送工件系统示意图机械手传送工件系统示意图 在水平 垂直位移的机械设备中 用机械手将工件从左工作台搬至右工作 台 如图 4 1 所示 机械手的动作采用气缸驱动 气缸的动作由气动电磁换向阀 控制 其动作过程如图 4 2 所示 从原点开始 经过下降 夹紧 上升 右移 下降 放松 上升 左移 8 个动作完成一个循环并回到原点 图 4 1 机械手结构示意图 图 4 2 机械手动作示意图 4 3 机械手输送系统机械手输送系统 i o 接口分配表接口分配表 机械手的控制分为手动控制和自动控制两种方式 手