毕业设计31机械手的PLC控制设计

1 摘要 机械手 技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。 本次设计采 日本三菱公司生产的 FX2N 系列可编程控制器 对机械手进行运动控制 ，根据机械手的运动规律：左右、上下、夹松等进行软件编程。 PLC 有如下特点：高可靠性、 丰富的 I/O 接口模块 、 采用模块化结构 、 编程简单易学 、 安装简单，维修方便 等。 本设计中 PLC 实现的功能 有： 开关量的逻辑控制 、 运动控制 、 现场数据采集处理 、 位置控制 等。 此次机械手的 PLC 控制设计包括：机械手传送工件系统、 输入和输出点分配表 、 原理接线图 、 操作系统 、 机械手传送系统梯形图 、 指令语句表 。 首先， 机械手传送工件系统 通过示意图 阐述了 其作用是将工件从点传递到点。机械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动液压缸来完成，其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为 YV3 与 YV1，左行、右行对应电磁阀的线圈分别为 YV5 与 YV4。 机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的液压缸完成，线圈 (YV2)通电夹住工件，线圈 (YV2)断电，松开工件。机械手的工 作臂都设有下、上限位和右、左限位的位置开关 SQ1、 SQ2和 SQ3、 SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边的状态为机械手的原位。 这里还说明了 操作面板上各旋钮、按钮的作用。 其次， 输入和输出点分配表 指出此次设计 选用 FX2N-40MR 的 PLC，系统共有16 个输入设备和 6 个输出设备分别占用 PLC 的 16 个输入点和 6 个输出点 。具体 2 分配请查看表 1。 再次， 原理接线图 表明了 I/O 口的连接关系。 然后， 操作系统 中 包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图 4 所示，此操作系统的原理在文中有细致说明。 回原点程序 如图 5 所示。用S10S12 作回零操作元件。当用 S10S19 作回零操作时，在最后状态中在自我复位 前应使特殊继电器 M8043 置 1；手动单步操作程序 如图 6 所示上升 /下降，左移 /右移都有联锁和限位保护； 自动连续操作程序 中对自动操作状态转移顺序功能图做出了具体的说明。 接下来是机械手传送系统梯形图，如图 8 所示。图中从第 0 行到第 27 行为回原位状态程序。从第 28 行到第 66 行，为手动单步操作程序。从第 67 行到第129 行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图 4 的操 作系统运行的。 最后是指令语句表是对梯形图的补充。 机械手是一种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的自动化装置 ， 机械手在工业生产中得到广泛的应用 。 传统工艺中采用继电器控制时，需要的继电器多 ， 线复杂，因此故障多，维修困难，费时费工，不仅加大了成本，而且影响设备的工效。采用梯形控制直观易懂，为电气人员所熟悉；采用 PLC控制使接线 简化，安装方便，而且保证运行的可靠性，减少维修量，提高了工效。 3 目录 摘要 . 1 目录 . 3 P L C 控制机械 手 设 计 . 4 1. 引言 . 4 2. PLC 特点 . 4 3. 本设计中 PLC 实现的功能 . 6 4. 机械手传送工件系统 . 6 5. 输入和输出（ I/O）点分配表 . 8 6. 原理接线图 . 10 7. 操作系统 . 11 8. 机械手传送系统梯形图 . 15 9. 指令语句表 . 18 10. 结论 . 21 11. 参考文献 . 21 4 P L C 控 制 机 械 手 设 计 1. 引言 可编程控制器（以下简称 PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；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 PLC 在处理模拟 量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。 PLC 是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于 PLC 内存中的程序，进行入出信息变换实现控制 。 PLC 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了。而 PLC 则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考 虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 本次设计采 日本三菱公司生产的 FX2N 系 列可编程控制器 对 机械手进行运动控制 ，根据机械手的运动规律：左右、上下、夹松等进行软件编程。 2. PLC 特点 2.1 高可靠性 5 (1) 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。 (2) 各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms. (3) 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 (4) 采用性能优良的开关电源。 (5) 对采用的器件进行严格的筛选。 (6) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软 、 硬件发生异常情况， CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。 (7) 大型 PLC还可以采用由双 CPU构成冗余系统或有三 CPU构 成表决系统 ,使可靠性更进一步提高。 2.2 丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流 、 开关量或模拟量 、 电压或电流 、 脉冲或电位 、 强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮 、 行程开关 、 接近开关 、 传感器及变送器 、 电磁线圈 、 控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人 -机对话的接口模块 ； 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块 等等。 2.3 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC均采用模块化结构。 PLC 的各个部件，包括 CPU、 电源 、 I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 2.4 编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式 。 对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 2.5 安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相 连接，即可投入运行。各种模块上均有运行 6 和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 3. 本设计中 PLC 实现的功能 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 组合 逻辑控制、顺序 逻辑 控制 与定时控制。 2. 运动控制 PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。 3. 现场数据采集处理 目前 PLC都具有数据处理指令、数据传送指令、算术与逻辑运算指令和循环位移与移位指令，所以由 PLC构成的监控系统，可以方便地对生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。数据处理通常应用于机械手的控制系统中。 4. 位置控制 位置控制是指 PLC 使用专用的位置控制模块来控制步进电动机或伺服电动机，从而实现对各种机械构件的运动控制，如控制构件的速度、位移、运动方向等。机械手的位置控制就是 PLC 的位置控制的典型应用 。 4. 机械手 传送工件系统 如图 1 所示是一台工件传送的机械手的动作示意图，其作用是将工件从点传递到点。机 械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动液压缸来完成，其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为 YV3 与 YV1，左行、右行对应电磁阀的线圈分别为 YV5 与 YV4。一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的液压缸完成，线圈 (YV2)通电夹住工件，线圈 (YV2)断电，松开工件。机械手的工作臂都设有下、上限位和右、左限位的位置开关SQ1、 SQ2 和 SQ3、 SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其 7 夹持动作的完 成。机械手在最上面、最左边的状态为机械手的原位。 图 1 机械手传送示意 机械手的操作面板分布情况如图 2 所示，机械手具有手动、自动和回原位 8 五种工作方式，用开关 SA 进行选择。 手动工作方式时，用各操作按钮（ SB1、 SB2、SB3、 SB4、 SB5、 SB6、 SB7、 SB8、 SB9、 SB10、 SB11）来点动执行相应的各动作；自动工作方式时，动作将自动执行；返回原位工作方式时，按下“回原位”按钮SB11，机械手自动回到原位状态。 图 2 机械手操作面板 5. 输入 和输出（ I/O） 点分配表 PLC 是一种工业控制 系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过 I/O 接口模块来实现的。 通过 I/O 接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过 I/O 接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。 PLC 从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误， PLC 的 I/O 接口模块都具有较好的抗干扰能力。 此次设计 选用 FX2N-40MR 的 PLC，系统共有 16 个输入设备和 6 个输出设备分别占用 PLC 的 16 个输入点和 6 个输出点 。 具体 分配 见表 1。 9 表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表 名 称 代号 输入 名 称 代号 输入 名 称 代号 输出 启动 SB1 X0 夹紧 SB5 X10 电磁阀下降 YV1 Y0 下限行程 SQ1 X1 放松 SB6 X11 电磁阀夹紧 YV2 Y1 上限行程 SQ2 X2 单步上升 SB7 X12 电磁阀上升 YV3 Y2 右限行程 SQ3 X3 单步下降 SB8 X13 电磁阀右行 YV4 Y3 左 限行程 SQ4 X4 单步左移 SB9 X14 电磁阀左行 YV5 Y4 停止 SB2 X5 单步右移 SB10 X15 原点指示 EL Y5 手动操作 SB3 X6 回原点 SB11 X16 连续操作 SB4 X7 工件检测 SQ5 X17 10 6. 原理接线图 图 3 I/O 接线图 11 7. 操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图 4所示。 图 4 机械手操作系统程序梯形图 其原理是： 把旋钮置于 回原点， X16 接通，系统自动回原点， Y5 驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则 X6 接通，其常闭触头打开，程序不跳转（ CJ 为一跳转指令，如果 CJ 驱动，则跳到指针 P 所指 P0 处），执行手动程序。之后，由于X7 常闭触点，当执行 CJ 指令时，跳转到 P1 所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既 X6 常闭闭合、 X7 常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。 12 7.1 回原点程序 回原位程序如图 5 所示。用 S10S12 作回零操作元件。 请 注意，当用 S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器 M8043 置 1。 图 5 回原位状态转移顺序功能图 13 7.2 手动单步操作程序 如图 6 所示。图中上升 /下降，左移 /右移都有联锁和限位保护。 图 6 手动单步操作程序梯形图 14 7.3 自动操作程序 图 7 自动操作状态转移顺序功能图 15 自动操作状态转移顺序功能图的说明： 自动操作状态转移见图 7 所示。当机械手处于原位时，按启动 X0 接通，状态转移到 S20，驱动下降 Y0，当到达下限位使行程开关 X1 接通，状态转移到 S21，而 S20 自动复位。 S21 驱动 Y1 置位，延时 1 秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当 T0 接通，状态 转移到 S22，驱动 Y2 上升，当上升到达最高位， X2 接通，状态转移到 S23。 S23 驱动 Y3 右移。 移到最右位， X3 接通，状态转移到 S24 下降。下降到最低位， X1 接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时 1 秒。延时时间到， T1 接通，状态转移到 S26 上升。上升到最高位， X2 接通，状态转移到 S27 左移。左移到最左位，使 X4 接通，返回初始状态，再开始第二次循