PLC在机械手搬运工件中的运用定稿

PAGE1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:1５９２86２２5１2PAGE1【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.依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；依据机械手的工作性质，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仿照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，能在有害环境下操作以保护人身平安,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,依据被抓持物件的外形、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（摇摆)、移动或复合运动来实现规定的动作，转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,机械手的灵敏性越大，通用性越广，其结构也越简洁。一般专用机械手有２～3个自由度。机械手的种类，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；按运动轨迹掌握方式可分为点位掌握和连续轨迹掌握机械手等.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，一般没有独立的掌握装置。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机械手搬运机构摇摆气缸２－非标螺丝３-气动手爪4-手抓磁性开关Y59BLS５－提升气缸６-磁性开关D—Ｃ73７—节流阀8-伸缩气缸９-磁性开关Ｄ—Z7310-左右限位传感器1１-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。手爪提升气缸:提升气缸采纳双向电控气阀掌握。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，当检测到气缸精准到位后将给ＰＬC发出一个信号手爪：抓取和松开物料由双电控气阀掌握，手爪夹紧磁性传感器有信号输出,指示灯亮，在掌握过程中不允许两个线圈同时得电。摇摆气缸：机械手臂的正反转,由双电控气阀掌握。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。伸缩气缸：机械手臂伸出、缩回，由电控气阀掌握.气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。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,金属中产生的涡流汲取了震荡的能量。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。采纳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,使用简洁,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洁、省时。触点接触电阻小，一般为５０～２0０mΩ，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、可编程掌握器的产生﹙一﹚ＰLＣ的由来PLＣ的讨论始于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年欧洲也独立研制出他们的第一台PＬC。我国从1947年开头研制PＬＣ，19７7年开头工业应用。目前，PＬC的产品、产量、用量在全部的工业掌握装置中居首位。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﹚曾对可编程序掌握器作了一个恰当的定义：“可编程序掌握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掌握器。它采纳了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行规律运算、挨次掌握、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,掌握各种类型的生产过程。可编程序掌握器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”依据这个定义，ＰLＣ实质上是工业环境下使用的计算机。随着计算机技术的进展,PＬＣ已进展为集计算机技术、自动掌握技术、通讯技术、过程掌握与一体的电子装置.它可使用基本规律指令编程，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、牢靠性高等特点.目前传统的继电接触器掌握系统已逐步为PＬC所取代,这是一种进展趋势。随着计算机的进展,PLC的优点也是显而易见的，主要优点是：1。牢靠性高,抗干扰性强。2．功能性强，具有操作便利。3。编程简洁,人机对话界面好..4．配套齐全,使用便利。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，维修便利。﹙三﹚PLC的基本概念与组成PLC是一种将计算机技术与继电器掌握概念结合起来、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掌握特殊用途的计算机，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2PLＣ组成的等效示意图﹙四﹚可编程掌握器的分类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1~4KB.3。中型PLＣ,其中I/Ｏ总点数在1２8~5１2点,内存容量在４～１３KB。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,依据需要选择合适的模块,安装在固定的机架上。﹙五﹚可编程掌握器的编程语言PLＣ编程语言的国际标准PLＣ编程语言标准(IＥC6１131－３)中有5种编程语言，即挨次功能图（Sｅquｅntiaｌfunｃtｉoncｈart），梯形图（Laddeｒdiａgram），功能块图(Fｕnctｉｏnｂlｏｃｋdiaｇｒam),指令表（Iｎｓｔructionｌisｔ）,结构文本（Ｓtructuｒeｄtｅxt)。其中的挨次功能图（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.挨次功能图（ＳFC）梯形图(ＬD）功能块图(ＦＢＤ）指令表（ＩL）结构文本(SＴ)梯形图的主要特点PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称。依据梯形图中各触点的状态和规律关系，求出图中各线圈对应的软元件的ＯＮ/OFF状态,称为梯形图的规律运算。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。输入继电器的状态唯一地取决于对应的外部输入电路的通断状态，因此在梯形图中不能消灭输入继电器的线圈。帮助继电器相当于继电掌握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﹚可编程掌握器的技术性能指标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。简略性能规格是指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。1.Ｉ/O点数如FX系列的I／Ｏ点数最多为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1ＭＢ~２MB，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﹚可编程掌握器的应用领域及进展趋势PＬＣ的应用领域开关量规律掌握运动掌握过程掌握数据处理通信连网PLC的进展趋势从技术上看，PLC会向运算速度更快、存储容量更大、功能更广、性能更稳定、性价比更高的方向进展.从规模上看，PLC会进一步向超小型和超大型两个方向进展.从配套性上看,PＬC产品会向品种更丰富、规格更齐备的方向进展.从标准上看,PLＣ的通用信息、设备特性、编程语言等向IＥC113１标准的方向进展。从网络通信的角度看,PLC将向网络化和通信的简便化方向进展.三、FX系列可编程掌握器FX系列可编程掌握器概述ＦＸ系列PＬC型号名称的含义如下：系列序号：如1Ｓ，1Ｎ,2Ｎ等；Ｉ/Ｏ总点数：１0～256；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；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；电源的形式：FX系列PＬC的一般技术指标FＸ系列ＰLC的一般技术指标包括：基本性能指标、输入技术指标及输出技术指标。其简略规定如下表所示：表1FX系列的PLC的基本性能指标项目ＦX１sFX1ＮFＸ2Ｎ和ＦX2NC运算掌握方式存储程序，反复运算I/Ｏ掌握方式批处理方式,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/指令程序语言规律梯形图和指令表可以用步进指令来生成挨次掌握指令程序容量内存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点表２FX系列PLC的输入技术指标输入电压ＤＣ24V±１0％元件号X0~Ｘ７其它输入点输入信号电压DC24Ｖ±1０％输入信号电流DC24V，7mADC24Ｖ,５ｍＡ输入开关电流0FF—OＮ﹥4.５ｍＡ﹥3.5mA输入开关电流ＯN-OFF﹤1.5mA输入响应时间10ms可调节输入响应时间Ｘ0~Ｘ17为0~60mA﹙ＦＸ2N﹚其它系列０~15mＡ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ＰLC的软元件概述PLC内部有很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的软元件输入继电器（X）输出继电器（Ｙ）帮助继电器（M)状态继电器﹙S﹚定时器﹙T﹚计数器﹙Ｃ﹚数据寄存器（Ｄ）变址寄存器﹙Ｖ﹚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)。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掌握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挨次搬运工件：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，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；也可能会由于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平安，机电设备必须设置初始位置.机械手有初始位置的要求.任何有程序掌握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，不能任意设置。机械手的初始位置要求全部气缸活塞杆均匀缩回。由于机械手的全部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。由于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，导致活塞杆表面光滑度降低，引起气缸的气密性变差。当气缸动作时活塞杆缩进、伸出，由于表面光滑度降低,就似乎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.因此初始位置要求全部气缸活塞杆均缩回,保证了气缸的正常的使用寿命。从平安的角度动身，气缸的稳定工作也保证了机械手的平安运行。由于机械手的旋转气缸没有活塞杆,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.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.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牢靠地抓取和放置工件.由于气爪较小，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全都，另外手臂气缸下限位传感器安装的位置要是适合,偏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，就能牢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。机械手每个动作之间的转换都通过传感器的位置信号掌握.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，牢靠地完成整个工作过程。这种掌握方式属于状态掌握,是目前机械设备操控设计普遍采纳的掌握方法.他能使机械设备精准无误地完成工作任务,一旦消灭故障,设备维修人员能快速精准地推断故障消灭的位置，即使修复.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。也就是但停止信号消灭是不能立即停止，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帮助继电器Μ,通过停止信号使帮助继电器Μ吸合并自锁，利用启动信号断路回路使Μ复位,然后再最后一个步进完成时，将帮助继电器Μ的常开触点串进输出停止步进的回路，将帮助继电器Μ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.如果机械手在搬运过程中遇到突然断电等突发情况，要保证机械手全部气缸的气路状态断电瞬间不转变、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，既节省用电,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平安运行。机械手ＰLC输入/输出元件地址安排表表3PLC输入/输出元件地址安排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→机械手向左旋转→初始位置。（四)指令表和梯形图依据机械手的动作特点,采纳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0LＤＸ00１ﻩ4８STＬＳ５0596OUＴY0051ＯＲM0 ４９ＯUTY003 97ＭPS2LDＩX０00ﻩ50LＤX00５ﻩ９8ＬＤX００63ＯＵTM0ﻩ51ＳＥTＳ506ﻩ99LDIＭ０4LDM8002ﻩ５３STＬS506 １0０ＳEＴS500５SEＴS0 54OＵTY０01ﻩ１0２MＰP7STLS０ﻩ55LＤX003ﻩ10３LDM08OＵTY000 56ＳETＳ507ﻩ104SＥTS09OUTY003 58SＴLS5０７ﻩ106ＲET10ＯUTＹ0０7ﻩ５9OUＴY0０４ 107ENＤ11ＯUTＹ00５ﻩ６0LDＸ０0712LＤＸ000ﻩ61ＳＥTS５０８13ANDＸ０03ﻩ６3SＴLS50814ANＤX005ﻩ6４ＯUTY00０15AＮＤIＸ０１0ﻩ65LDX0０2１6ANＤX006ﻩ66SEＴＳ５0９17SETS500ﻩ６8STLS50９１9ＳＴLS500ﻩ69OUTY00220OUTＹ000 70LＤX００0４2１LDX00２ﻩ７1ＳEＴS510２2SETＳ501 73STLS5102４ＳＴＬS5０1 ７4OUTＴ2K52