PLC在机械手搬运工件中的运用(定稿)

1、成都市技师学院2011年毕业论文PLC在机械手搬运工件中的运用 作者姓名： 吴海明 班 级： 09三年高机电2班 指导老师： 李 艳 联系电话： 【摘要】机械手是机电一化设备或自动化生产系统中的常用的装置，用来搬运物体或代替人完成某些操作。根据驱动机械手工作的不同，可分为气动机械手、液压机械手和电动机械手；按照机械手的工作性质，可分为搬运机械手、焊接机械手和注塑机械手等。【关键词】PLC 三菱FX2N 磁性传感器 接近传感器 一、前言一机械手的作用 机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害

2、环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。 机械手的种类

3、，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。二机械手搬运机构图1 机械手搬运机构1- 摆动气缸 2-非标螺丝 3-气动手爪 4-手抓磁性开关Y59BLS 5-提升气缸 6-磁性开关D-C73 7-节流阀 8-伸缩气缸 9-磁性开关D-Z73 10-左右限位传感器11-

4、缓冲阀 12-安装支架 整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上升、手爪上下、手爪松紧。1. 手爪提升气缸：提升气缸采用双向电控气阀控制。2. 磁性传感器：用于气缸的位置检测。检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个信号3. 手爪：抓取和松开物料由双电控气阀控制，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，在控制过程中不允许两个线圈同时得电。4. 摆动气缸：机械手臂的正反转，由双电控气阀控制。5. 接近传感器：机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。6. 伸缩气缸：机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。气缸上装有两个磁性

5、传感器，检测气缸伸出或缩回位置。7. 缓冲器：旋转气缸高速正转和反转时，起缓冲减速作用。三传感器应用说明电感式接近传感器由高频震荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。震荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物料接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了震荡的能量。使震荡减弱以至停滞。震荡器的震荡及停振这两种状态，转换为电信号通过整形放大器转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。光电传感器是一种红外调制型无损检测光电传感器。采用高效果红外发光二极管光敏三极管作为光电转换元件。工作方式有同轴反射和对射型。他们具有体积小，使用简单，性能稳定，寿命长，响应速度快，抗冲击，耐震动，接受不受外界干

6、扰等优点。磁性开关是用来检测气缸活塞位置的，即检测活塞的运行行程的。他可分为有触点式和无触点式两种。用磁性开关来检测活塞的位置，从设计、加工、安装、调试等方面，都比使用其他限位开关方式简单、省时。触点接触电阻小，一般为50200m，但可通过电流小，过载能力较差，只适合低压电路。响应快，动作时间为1.2ms。耐冲击，冲击加速度可达300m/ s²，无漏电流存在。二、可编程控制器的产生一PLC的由来PLC的研究始于1968年。1969年美国数字设备公司研制成功世界上第一台PLC，并在汽车生产上或得应用。之后，1971年日本从美国引进PLC技术，研制出日本的第一台PLC。1973年欧洲也独

7、立研制出他们的第一台PLC。我国从1947年开始研制PLC，1977年开始工业应用。目前，PLC的产品、产量、用量在所有的工业控制装置中居首位。PLC及其网络被公认为现代工业自动化三大支柱之二PLC的定义1987年2月国际电工委员会IEC曾对可编程序控制器作了一个恰当的定义：“可编程序控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为工业环境下的应用而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能

8、的原则设计。” 按照这个定义，PLC实质上是工业环境下使用的计算机。随着计算机技术的发展，PLC已发展为集计算机技术、自动控制技术、通讯技术、过程控制与一体的电子装置。它可使用基本逻辑指令编程，可使用梯形图编程，有些还可以使用高级计算机语言编程，具有可操作性强、可靠性高等特点。 目前传统的继电接触器控制系统已逐步为PLC所取代，这是一种发展趋势。随着计算机的发展，PLC的优点也是显而易见的，主要优点是：1可靠性高，抗干扰性强。2功能性强，具有操作方便。3编程简单，人机对话界面好。4配套齐全，使用方便。5寿命长，体积小，能耗低。6系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便。三PLC的基本概念

9、与组成PLC是一种将计算机技术与继电器控制概念结合起来、装有程序、以及中央微处理器CPU为核心并与输入/输出I/O设备相连接而作为工业控制特殊用途的计算机，因此它的基本组成部分与通用的微机类似，如图2所示。PLC主要有中央微处理器、存储器、输入/输出接口电路、电源等组成。输入单元输出单元电 源存储器CPU编程设备送到接触器、继电器线圈、灯等的输出信号从按钮、传感器来的输入信号图2 PLC组成的等效示意图四可编程控制器的分类1超小型PLC，其中I/O总点数一般少于64点，内存容量少于2KB。2小型PLC，其中I/O总点数一般少于64点，内存容量在14KB。3中型PLC，其中I/O总点数在1285

10、12点，内存容量在413KB。4大型PLC，其中I/O总点数在512点以上，内存容量在13KB以上。中小型PLC通常吧电源、中央处理器CPU和I/O接口集成在一个机壳里内。大型PLC通常吧电源、CPU、I/O接口、扩展单元等都做成模块，在结构上相互独立，根据需要选择合适的模块，安装在固定的机架上。五可编程控制器的编程语言1. PLC编程语言的国际标准 PLC编程语言标准（IEC 61131-3）中有5种编程语言，即顺序功能图（Sequential function chart），梯形图（Ladder diagram），功能块图（Function block diagram），指令表（Instr

11、uction list），结构文本（Structured text）。其中的顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能块图（FBD）是图形编程语言，指令表（IL）、结构文本（ST）是文字语言。1) 顺序功能图（SFC）2) 梯形图（LD）3) 功能块图（FBD）4) 指令表（IL）5) 结构文本（ST）2. 梯形图的主要特点1) PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称。2) 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出图中各线圈对应的软元件的ON/OFF状态，称为梯形图的逻辑运算。3) 梯形图中各软元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用。4) 输入继电器的状态唯一地取决于对应的外部

12、输入电路的通断状态，因此在梯形图中不能出现输入继电器的线圈。5) 辅助继电器相当于继电控制系统中的中间继电器，用来保存运算的中间结果，不对外驱动负载，负载只能由输出继电器来驱动。六可编程控制器的技术性能指标 PLC的技术性能指标有一般指标和技术指标两种。 一般性能规格是指使用PLC时应注意的问题，主要包括电源电压、允许电压波动范围、耗电情况、直流输出电压、绝缘电阻、耐压情况、抗噪声性能、耐机械振动及冲击情况、使用环境温度和湿度、接地要求、外形尺寸、质量等。具体性能规格是指PLC所具有的技术能力，如果只是一般地了解PLC的性能，了解如下的基本技术性能指标即可。1I/O点数 如FX系列的I/O点数

13、最多为256。2扫描速度 小型PLC的扫描时间可能大于40ms。3内存容量 一般小型机的存储容量为1KB到几千字节，大型机则为几十千字节，甚至1MB2MB，通常以PLC所能存放用户程序的多少来衡量。4指令系统5内部寄存器6特殊功能模块 七可编程控制器的应用领域及发展趋势1. PLC的应用领域1) 开关量逻辑控制2) 运动控制3) 过程控制4) 数据处理5) 通信连网2. PLC的发展趋势1) 从技术上看， PLC会向运算速度更快、存储容量更大、功能更广、性能更稳定、性价比更高的方向发展。2) 从规模上看， PLC会进一步向超小型和超大型两个方向发展。3) 从配套性上看， PLC产品会向品种更丰

14、富、规格更齐备的方向发展。4) 从标准上看，PLC的通用信息、设备特性、编程语言等向IEC1131标准的方向发展。5) 从网络通信的角度看，PLC将向网络化和通信的简便化方向发展。三、FX系列可编程控制器 1. FX系列可编程控制器概述FX系列PLC型号名称的含义如下：1) 系列序号：如1S，1N，2N等；2) I/O总点数：10256；3) 单元类型：M为基本单元，E为I/O混合扩展单元与扩展模块，EX为输入专用扩展模块，EY为输出专用扩展模块；4) 输出形式：R为继电器输出，T为晶体管输出，S为双向晶闸管输出；5) 电源的形式： 2. FX系列PLC的一般技术指标FX系列PLC的一般技术指

15、标包括：基本性能指标、输入技术指标及输出技术指标。其具体规定如下表所示：表1 FX系列的PLC的基本性能指标项目FX1sFX1NFX2N和FX2NC运算控制方式存储程序，反复运算I/O控制方式批处理方式，可以使用I/O刷新指令运算处理速度基本指令0.55微秒/指令0.7微秒/指令0.88微秒/指令应用指令3.7微秒/指令数百微秒/指令1.52微秒/指令数百微秒/指令程序语言逻辑梯形图和指令表可以用步进指令来生成顺序控制指令程序容量内存2KB步内置8KB步内置8KB步用存储盒可以达到16步指令数量基本步进基本指令27条步进2条应用指令85条89条128条I/O设置最多30点最多128点最多256

16、点表2 FX系列PLC的输入技术指标输入电压DC 24V±10%元件号X0X7其它输入点输入信号电压DC 24V±10%输入信号电流DC 24V,7mADC 24V,5mA输入开关电流0FF-ON4.5mA3.5mA输入开关电流ON-OFF1.5mA输入响应时间10ms可调节输入响应时间X0X17为060mAFX2N其它系列015mA输入信号形式无电压触点，或NPN集电极开路输出晶体管输入状态显示输入ON时LED灯亮3. PLC的软元件概述 PLC内部有许多具有不同功能的元件，实际上这些元件是由电子电路和存储器组成的。FX2N的软元件1) 输入继电器（X）2) 输出继电器（

17、Y）3) 辅助继电器（M）4) 状态继电器S5) 定时器T6) 计数器C7) 数据寄存器（D）8) 变址寄存器V9) 指针（P/I）包括分支和子程序用的指针（P）以及中断用的指针（I）。10) 常数K用来表示十进制常数，常数H用来表示十六进制常数。四、机械手在搬运工件的控制程序设计 生产线上的搬运机械手，要将在位置A处出的工件搬运到位置B进行下一工序的加工。在启动前或正常停止后机械手必须停留在原位，也就是说初始位置。机械手的初始位置是：机械手的悬臂气缸停留在左限位，悬臂气缸和手臂气缸的活塞杆均缩回，气爪处于松开状态。 当接通机械手的工作电源，按下启动按钮SB5，机械手将按以下动作顺序搬运工件：

18、悬臂气缸活塞杆伸出伸出到前限位传感器接到信号后手臂气缸活塞杆伸出伸出到前限位传感器接收到信号后手臂气缸活塞杆伸出伸出到下限位后延时0.5s气爪夹紧再延时0.5s手臂气缸的活塞杆缩回缩回到上限位传感器接收到信号后悬臂气缸活塞杆缩回缩回到后限位传感器接收到信号后旋转气缸驱动机械手右转右转到右限位传感器接收到信号后悬臂气缸活塞杆伸出伸出到前限位传感器接收到信号后手臂气缸活塞杆伸出伸出到下限位后延时0.5s气爪松开机械手臂的活塞杆缩回缩回到上限位传感器接收到信号后手臂的活塞杆缩回缩回到后限位传感器接收到信号后旋转气缸驱动机械手左转返回到初始位置，机械手完成搬运工作的一个循环。 不按下停止按钮是SB6，

19、机械手将按上述动作流程连续自动搬运工件；如果按下停止按钮SB6，机械手完成当前工件的搬运后，回到初始位置停止。（一）分析工作任务1. 机电设备的初始位置很多机电设备都需要设备初始位置，当设备中的相关部件不在初始位置时，设备就不能启动运行。如汽车发动时，离合器必须在“离”的位置或档位必须在“空挡”的位置，否则会造成汽车发动机带负荷启动而损坏零件；也可能会因为方向盘没有打好造成汽车乱跑的事故。为了保证设备和人身安全，机电设备必须设置初始位置。1) 机械手有初始位置的要求。 任何有程序控制的机械设备或装置都有初始位置，它是设备或装置运行的起点。初始位置的设定应结合设备或装置的特点和实际运行状况进行，

20、不能随意设置。机械手的初始位置要求所有气缸活塞杆均匀缩回。由于机械手的所有动作都是通过气缸来完成的，因此初始位置也就是机械手正常停止的位置。因为停止的时间有可能比较长，如果停止时气缸的活塞杆处于伸出状态，活塞杆表面长时间暴露在空气中，容易受到腐蚀和氧化，导致活塞杆表面光洁度降低，引起气缸的气密性变差。当气缸动作时活塞杆缩进、伸出，由于表面光洁度降低，就好像拿一把锉刀在锉气缸内的密封圈，时间长了就会引起气缸漏气，气缸就不能稳定地工作，严重是还会造成气缸损坏。因此初始位置要求所有气缸活塞杆均缩回，保证了气缸的正常的使用寿命。从安全的角度出发，气缸的稳定工作也保证了机械手的安全运行。由于机械手的旋转

21、气缸没有活塞杆，初始位置机械手的悬臂气缸如果保证停留在右限位，也是可以的。2) 旋转气缸转动时，悬臂气缸活塞杆处于缩回状态。 在旋转气缸动作时，机械手悬臂伸出越长，悬臂气缸活塞杆受到的作用力就越大，旋转气缸转轴转动时要做的功也越大。3) 气爪在抓取工件前后和放置工件前有延时。 这种设计目的是让气爪能稳定可靠地抓取和放置工件。因为气爪较小，当手臂气缸活塞杆下降到下限位传感器接到信号时，直接驱动气爪夹紧，一方面显得很仓促，另一方面要夹准工件，对设备的调试精度要求很高：首先要将气爪的中心与工件停留位置的中心对准，然后又要确保每次送过来的工件停留位置一致，另外手臂气缸下限位传感器安装的位置要是适合，偏

22、高会造成手臂气缸活塞杆的行程没到底就驱动气爪夹紧，工件会被气爪撞击。 若在气爪夹紧工件，手臂气缸活塞杆提升的环节里加入延时，就能可靠的将工件提升搬运。在机械手放置工件前延时，一方面是为了让手臂气缸活塞杆下降到最低处，另一方面在降低到最低位出后有个停顿，能消除工件下降过程中的惯性作用，使工件以最小的冲击力平稳的放到位置上。4) 机械手每个动作之间的转换都通过传感器的位置信号控制。 通过传感器来检测机械手的每个动作执行情况以及是否到位，能确保机械手完整的执行每个搬运环节，可靠地完成整个工作过程。这种控制方式属于状态控制，是目前机械设备操控设计普遍采用的控制方法。他能使机械设备准确无误地完成工作任务

23、，一旦出现故障，设备维修人员能快速准确地判断故障出现的位置，即使修复。5) 停止信号的处理 在机械手运行过程中，按下停止按钮SB6，要求机械手完成当前工件的搬运后，回到原位停止。也就是但停止信号出现是不能立即停止，必须让机械手完成一个工作循环后才能停止，那么首先要分清楚机械手一个工作循环的起点和终点，工作任务中讲的初始位置就是机械手一个工作循环的起点和终点。编写程序是可利用一个辅助继电器，通过停止信号使辅助继电器吸合并自锁，利用启动信号断路回路使复位，然后再最后一个步进完成时，将辅助继电器的常开触点串进输出停止步进的回路，将辅助继电器的常开触点串进输出启动步进的回路，就可符合工作任务的要求。

24、如果机械手在搬运过程中遇到突然断电等突发情况，要保证机械手所有气缸的气路状态断电瞬间不改变、夹持的工件不掉下，电磁阀的配置就需要有选择，要做到上述功能，机械手的悬臂气缸、手臂气缸、旋转气缸必须用二位五通双控电磁阀驱动，气爪气缸一般情况选用二位五通单控电磁阀。我们来分析一下气爪的工作过程：机械手手臂降到A出气爪夹紧工作，运到B处放下，那么我们只要使气爪夹工件前松一次、夹紧后搬运到B出放料是在松一次，其余时间段全部夹紧。即使遇到突然断电等突发情况，夹持的工件也不会掉下。这样的配置，电磁阀线圈通电时间很短，既节约用电，也延长了电磁阀的使用寿命，更保证了机械手搬运工件过程中的安全运行。（2） 机械手P

25、LC输入/输出元件地址分配表表3 PLC输入/输出元件地址分配表输入输出启动按钮SB5X0驱动悬臂伸出Y10停止按钮SB6X1驱动悬臂缩回Y1悬臂气缸前限位传感器X2驱动手臂下降Y2悬臂气缸后限位传感器X3驱动机械手向右旋转Y3说手臂气缸下限位传感器X4驱动机械手向左旋转Y4手臂气缸上限位传感器X5驱动机械手向右旋转Y5旋转气缸左限位传感器X6驱动气爪夹紧Y6旋转气缸右限位传感器X7驱动气爪放松Y7气爪气缸夹紧限位传感器X10（三）机械手动作流程 初始位置启动悬臂伸出手臂下降延时0.5s气爪夹紧延时0.5s手臂上升悬臂缩回机械手向右旋转悬臂伸出手臂下降 延时0.5s气爪放松手臂上升悬臂缩回机械

26、手向左旋转初始位置。（四）指令表和梯形图根据机械手的动作特点，采用步进指令编程的方法，将整个工作任务的运行程序的指令表和梯形图编制如下所示。表4 指令表0 LD X00148 STL S505 96 OUT Y0051 OR M049 OUT Y003 97 MPS2 LDI X00050 LD X00598 LD X0063 OUT M051 SET S506 99 LDI M04 LD M800253 STL S506100 SET S5005 SET S0 54 OUT Y001102 MPP7 STL S055 LD X003103 LD M08 OUT Y00056 SET S507104 SET S09 OUT Y00358 STL S507106 RET10 OUT Y007 59 OUT Y004107 END11 OUT Y00560 LD X00712 LD X00061 SET S50813 AND X00363 STL S50814 AND X00564 OUT Y00015 ANDI X01065 LD X00216 AND X006 66 SET S50917 SET S500