PLC控制机械手设计

1、技师论文论文题目：简易物料搬运机械手的PLC设计论文作者：2012年4月6日目录摘要11引言12工艺简介13. PLC的选型44. 分配PLC的输入/输出端子55. 电气原理图66. PLC控制系统程序设计77. 梯形图118调试149总结与评价14参考文献14简易物料搬运机械手的PLC设计摘要：本设计介绍了机械手控制系统的工作原理和动作实现过程。该机械手可以工作在手动、单周期和自动连续工作方式，能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸。机械手可以解决了工业生产和其他领域内，人们由于工作的需要，经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，从而大大改善工人的劳动条件，

2、显著地提高劳动生产率。本设计采用三菱FN2N系列PLC作为控制机对工业机械手进行控制。并用三菱PLC设计软件GPP进行了软件的设计和仿真，其中自动连续工作方式用的是状态转移图法编程。关键词：机械手 PLC GPP 状态转移图法1引言机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。可编程控制器PLC，它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，并已成为实现工业生产自动化得支柱产品。近年来， PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统，与继电-接触器系统相比更加可靠；占位空

3、间更小；价格上与继电-接触器控制系统能形成竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构。随着PLC技术的广泛应用，基于PLC控制的机器手的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，从而使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印

4、制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。（3）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4）在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。（5）宇宙及海洋的开发。（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。2工艺简介本课题设计的是一种简由PLC控制的易物料搬运机械手，图1所示为该简易物料搬运机械手的动作执行图。该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作台，由光耦合器VLC来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。气动机械手的升降和左右移动分别使用了双线圈的电磁阀，在某

5、方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV2、YV1，右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV4，机械手的夹钳使用单线圈电磁阀YV5，线圈通电时夹紧工件，断电时松开工件。通过设置限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别对机械手的下降、上升、右行、左行进行限位，而夹钳不带限位开关，它是通过延时3s来表示夹紧、松开动作的完成的。图1机械手动作执行图1）工艺要求机械手开始在原点，光电耦合器VLC1检测到A工作台有工件，机械手开始由原点下降，下降到底时，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件，为保证工件可靠夹紧，在该位置等

6、待3s。夹紧后，上升电磁阀通电开始上升，上升到顶碰到上限位开关，停止上升，改向右移动，碰到右限位开关后，停止右移。为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电耦合器VLC2，以检测“无工件”信号。通过光电耦合器VLC2检测到B工作台无工件，机械手开始下降至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在右工作台上，为确保可靠松开，在该位置停留3s，然后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手搬运一个工件的

7、全过程结束。图2 机械手工艺流程图2) 工艺控制流程机械手整个搬运过程要求能自动连续控制。在启动过程中能切换到手动控制，以便对设备进行调整和检修。机械手搬运工件的一个周期可分为以下八个部分。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位左位。图3是机械手控制系统的工艺流程图。(1) 机械手下降 按下启动按钮SB1，当光耦合器VLC1检测到工作台A上有工件，机械手开始下降。下降到低位时，碰到下限位开关SQ1，机械手停止下降。(2) 夹紧工件 机械手停止下降后，开始夹紧工件，为保证工件可靠夹紧，在该位置等待3s。(3) 机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关SQ2，停止上升。(4)

8、机械手右移 机械手右移到位时，碰到右限位开关SQ3，停止右移。(5) 机械手下降 当光耦合器VLC2检测到工作台B上无工件，机械手开始下降。当机械手下降到低位，碰到下限位开关SQ1，机械手停止下降。(6) 放开工件 机械手停止下降机后，开始放松工件，为确保可靠松开，在该位置停留3s。(7) 机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关SQ2，停止上升。(8) 机械手左移 机械手在高位开始左移，碰到左限位开关SQ4，停止左移。机械手工作的一个周期完成，等待工件在工作台A上出现，再开始下一个工作循环。零点（2）夹紧Y4 ON（6）放松Y4 OFFX13下限位（1）下降Y0（3）上升Y1（5）下降

9、Y0（7）上升Y1X13下限位（4） 右移 Y2（8） 左移 Y3X14上限位X14上限位X16左移限位X15右移限位X17 无工件检测X0启动图3 机械手工艺流程图3）工作方式为了满足生产要求，机械手电气控制系统，设置了回原点，手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单周期和连续工作方式，等四种工作形式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。（1）回原点工作方式：当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。（2）手动工作方式：当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮，才能实现相应的动作。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用

10、于调整机械手位置和紧急停车后机械手返回原点。（3）单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止工作。（4）连续工作方式：当旋钮打向连续工作时，按下启动按钮，机械手从原点开始，系统自动完成各工步操作，且循环动作，直到按下停止按钮，机械手才会最后运行到原位并停下。在连续工作方式下设置两种停车状态：正常停车：在正常工作状态下停车。按下正常停车按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停车。紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。操作面板急停左移X11上升X7放松X5启动X0右移X12下降

11、X10夹紧X6停止X1电源原点指示灯回原点X2手动X4单周期自动X3X21X20图4 机械手操作面板图3. PLC的选型1）输入信号位置检测信号：下限限位SQ1、上限限位SQ2、右限限位SQ3、左限限位SQ4共4个行程开关，需要4个输入端子。“A、B工作台有无工件检测”信号：用光电光电耦合器VLC1作为A工作台作检测元件，VLC2作为B工作台作检测元件，需要2个端子。“工作方式”选择开关：有回原点、手动、单周期和连续4种工作方式，用的是四档位旋转按钮，也需要4个输入端子。手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松6个按钮，且全为常开按钮，也需要6个输入端子。自动工作：尚需启动、正常停车

12、、紧急停车3个按钮，且全为常开按钮，也需要3个输入端子。其中手动操作中用到的启动，正常停止和紧急停车这3三个按钮和自动工作中的启动，正常停止和紧急停车为相同按钮。以上共需要19个输入信号，且均为开关量。2）输出信号气动机械手的升降和左右移动分别使用了双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV2、YV1，右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV4。机械手的夹钳使用单线圈电磁阀YV5，线圈通电时夹紧工件，断电时松开工件。，共需要5个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要1个输出点。所以，至少需要

13、6个输出点。由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型号的小型PLC均可满足要求。根据所需的I/O总点数并留有一定的备用量，本设计选用FX2N-48RM，其输入和输出各24点，继电器输出型，完全能满足控制要求。4. 分配PLC的输入/输出端子PLC的输入输出端子分配如表1所示。表1 机械手传送系统输入和输出点分配表输入信号名称功能编号SB1启动X0SB2停止X1SB3手动操作X2SB4自动连续操作X3SB5回原点X4SB6夹紧X5SB7放松X6SB8单步上升X7SB9单步下降X10SB10单步左移X11SB11单步右移X12SQ1下限行程限位X13SQ2上限行程限位X1

14、4SQ3右限行程限位X15SQ4左限行程限位X16VLC2B点工件检测光电耦合器X17SB12急停X20SB13单周期X21VLC1A点工件检测光电耦合器X22输出信号名称功能编号YV1电磁阀下降线圈Y0YV2电磁阀下降线圈Y1YV3电磁阀下降线圈Y2YV4电磁阀下降线圈Y3YV5电磁阀下降线圈Y4EL原点指示灯Y5辅助元件编号功能T0夹紧定时器，定时3ST1放松定时器，定时3SM0启动辅助继电器M1自动连续操作辅助继电器S1回原位状态继电器初始状态S2自动操作状态继电器初始状态5. 电气原理图根据以上控制要求画出PLC的输入输出端子电气原理图图5 机械手PLC接线电气原理图6. PLC控制系

15、统程序设计机械手PLC控制程序，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6所示。为了方便编程，可将手动和自动程序分别编出相对独立的程序段，用跳转指令进行选择，控制系统程序结构框图，如图5-3所示。选择回原点方式，X4接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。选择手动方式，把旋钮置于手动，则X2接通，其常闭触头打开，程序不跳转，执行手动程序。CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到P0处，跳过手动方式，不执行手动程序。单同期操作和自动操作为同一程序，通过X3和X21来区分是自动连续操作还是单周期操作，X3为自动连续操作，X21为单周期操作，当这两种工作方式都不选，通过一跳转指令跳转到

16、P1处，当选中这两种工作方式中的一种就不跳转，转而执行自动程序。回原点程序X4X14Y5X16Y4X2CJP0手动操作程序自动连续操作程序ENDCJP1X3X21X0图6 机械手操作系统程序1）回原位程序回原位程序采用了状态转移图法，也叫顺序功能图SFC法编程，回原位状态转移图如图7所示。一开始用M8002让S1闭合，使PLC上电机械手能够进入回原位程序，用S1作为回原位状态继电器初始状态，当旋转打在回原位档，机械手放松，并开始上升和左移，使实现自动回原位操作。用S10S12作为回原位操作元件。应注意，当用S10S12作回原位操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。M80

17、43被定义为在原点回归模式的结束状态时动作。S1S10S11S12X16X14RST放松Y1上升结束左移限位X16Y4左移M8002RSTY0下降复位RST右移复位Y2Y3SET回原点结束M8043RSTS12图7、回原位状态转移图2）手动程序手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图，如图8所示，这是一个典型的点动程序，用M0作为启动辅助继电器，为下面的点动做准备，手动按钮SB6-SB11分别控制夹紧、放松、上升、下降、左移和右移各个动作。为了保证系统的的安全与进行，设置了按钮和输出的软件联锁。其中在左、右移动的电路中加入X14作上限连锁，这是因为机械手

18、只有处于上限位置时，才允许左、右移动。启动辅助继电器，下面的点动做准备图8 手动操作程序3）自动操作程序自动操作程序用的是状态转移图法，也叫顺序功能图SFC法编程，自动操作状态转移见图9所示。S2作为自动操作状态继电器初始状态，S20S27作为自动操作状态继电器。当机械手处于原位时，按启动按钮SB1，X0接通，状态转移到S20，并通过光电耦和器VLC1检测A工作台上是否有工件，有工件X22闭合，则驱动电磁阀下降线圈Y0，使机械手下降，当到达下限位，使下限位行程开关X13接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动电磁阀夹紧线圈Y4置位，使机械手夹紧，并通过定时器T0延时3秒，以使电磁力

19、达到最大夹紧力。当定时器T0接通，状态转移到S22，驱动电磁阀上升线圈Y1，使机械手上升，当上升到达最高位，上限位行程开关X14接通，状态转移到S23。S23驱动电磁阀右移线圈Y2，使机械手右移；移到最右位，右限位行程开关X15接通，状态转移到S24，并通过光电耦和器VLC2检测B工作台上是否有工件，无工件X17不断开，则驱动电磁阀下降线圈Y0，使机械手下降，当到达下限位使行程开关X13接通，状态转移到S25；S25驱动电磁阀夹紧线圈Y4清零，使机械手放松，并通过定时器T1延时3秒，使电磁力完全失掉。延时时间到，定时器T1接通，状态转移到S26，驱动电磁阀上升线圈Y1，使机械手上升，当上升到达

20、最高位，上限位行程开关X14接通，状态转移到S27。S23驱动电磁阀左移线圈Y3，使机械手左移；移到最左位，左限位行程开关X16接通，返回到状态S20。，再开始第二次循环动作。在运行中，如按正常停车按钮SB2，则X1断开，无法返回到状态S20，机械手的动作继续执行完一个周期后，回到初始状态。如按紧急停车按钮，则X20接通，状态S2到S27全部复位，机械手工作停止。重新启动时，先用手动操作来将机械手移回原点，才能再次进行自动操作。S2S20S21S22S23S24S25S26S27下降限位状态转移开始原点位置条件Y0X13SET夹紧下降T0 K30T0Y1上升上升限位X14Y2右移右移限位X15Y0下降下降限位X13Y4RST放松T1 K30Y4T1Y1上升上升限位X14左移限位X16自动方式初始状态X22 A点工件检测X17 B点工件检测图9 自动连续操作状态转移图7.梯形图如下图所示。图中从第0行到第38行为回原位状态程序。从第39行到第81行，为手动单步操作程序。从第88行到第138行为自动操作程序。单同期操作和自动操作为同一程序，通过X3和X21来区分是自动连续操作还是单周期操作，X3为自动连续操作，X21为单周期操作，当这两种工作方式都不选，通过一跳转指令跳转到P1处，当选中这两种工作方式中的一种就不跳转，转而执行自动程