物料搬运机械系统plc设计

物料搬运机械手系统Array PLC编程设计
课程名称：可编程操纵器原理及应用
任课教师：冯治国教师
班级：机制102班
学号：
姓名：
一、设计题目及概述
(一)设计题目
如图1所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。

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来检测工作台上有无工件。

机械手通常位于原点，它的动作全数由气缸驱动，而气缸那么由相应的电磁阀操纵。

其中，上升/下降和左移/右移别离由双线圈二位电磁阀操纵，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀(称为夹紧电磁阀)
操纵。

图1 简易物料搬运机械手
(一)设计概述
PLC操纵系统的设计包括3个重要的环节，其一是通过操纵任务的分析，确信操纵系统的整体设计方案；其二是依照操纵要求确信硬件组成方案；其三是设计出知足操纵要求的应用程序。

二、对设计任务的深切调查研究
(一)机械手的工作方式
此系统需要具有多种工作方式，如既能自动的循环运行一个进程，也能进行手动操作运行一个工作步等。

常见的工作方式有联系、单周期、单步和手动。

1.单周期方式
机械手在原位压左限位开关和上限位开关。

按一次操作按钮机械手开始下降，下降到左工位压动下限位开关后自停；接着机械手夹紧工件后开始上升，上升到原位压动上限位开关后自停；接着机械手开始右行直至压动右限位开关开关后自停；接着机械手下降，下降到右工位压动下限位开关（两个工位用一个下限位开关）后自停；接着机械手放松工件后开始上升直至压动上限位开关后自停（两个工位用一个上限位开关）；接着机械手开始左行直至压动左限位开关后自停。

至此一个周期的动作终止，再按一次操作按钮那么开始下一个周期的运行。

2.持续方式
启动后机械手反复运行上述每一个周期的动作进程，即周期性持续运行。

3.单步方式
每按一次操作按钮，机械手完成一个工作步。

例如，按一次操作按钮机械手开始下降，下降到左限位压动下限位开关自停，欲使之运行下一个工作步，必需再按一次操作按钮等。

以上三种工作方式属于自动操纵方式。

4.手动方式
按下按钮那么机械手开始一个动作，松开按钮那么停止该动作。

(二)对机械手每工作步的操纵要求
1.上升和下降
机械手上升和下降的动作都要到位，不然不能进行下一个工作步。

此题利用上下限位开关进行操纵，上升和下降的动作用一个双线圈的电磁阀操纵。

2.放松和夹紧
机械手夹紧和放松的动作必需在两个下工位处进行，且夹紧和放松的动作都要到位。

为了确保夹紧和放松动作的靠得住性，本例对夹紧和放松动作进行按时，并设置夹紧和放松指示。

夹紧和放松动作由单线圈的电磁阀操纵。

3.左行和右行
自动方式时，机械手的左、右运动必需在压动上限位开关后才能进行；机械手的左/右运动都必需到位，以确保在左工位取到工件并在右工位放下工件。

此题利用上限位开关、左限位开关和右限位开关进行操纵。

左/右行的动作由双线圈的电磁阀操纵。

(一)机械手工作流程
1.关于手动操纵方式
依照点动的方式进行,手动操纵按钮有"手动右移"、"手动左移"、"手动前进"、"手动后退"、"手动上升"、"手动下降"、"手动夹紧"和"手动松开",按下相应的按钮,机械手别离执行机械手臂X轴右移、X轴左移、Y轴前进、Y轴后退、Z轴上升、Z轴下降、手爪夹紧、手爪松开动作。

另外还有"自动/手动"按钮,用以选择系统的操纵方式,按下时为自动操纵方式,未按下时为手动操纵方式。

2.关于自动操纵方式
依照时刻推移具体动作顺序如下:
(1)等待接下班件到位信号;
(2)横轴移动至X1,竖轴下降至Z2,启动夹紧;
(3)机械手从流水线将工件取下;
(4)竖轴上升至Zl,横轴移动至X2,竖轴下降至Z2;
(5)松动工件,机械手将工件放置到工作台上;
(6) 竖轴上升,启动工作,机械手进行工作等待;
(7)工作完成，信号置位;
(8)竖轴下降,夹紧工件;
(9)竖轴上升至Zl,横轴移动X3,纵轴移动Y3,竖轴下降至Z2,松动工件;
(10)竖轴上升,X回原点,Y回原点。

上述1-10为一个动作循环。

3.总结
在本文顶用X轴表示横轴, Z轴表示竖轴;如此在X轴上有X1、X2、X3三个工位, 在Y轴上有Yl、Y2、Y3三个工位,在Z轴上有Z1和Z2两个工位。

(二)机械手实现功能
基于上述的操纵耍求,本机械手操纵系统实现下述功能:
机械手按手动和自动两种方式动作:设计要求机械手能够通过手动和自动两种方式实现操纵功能,在手动方式下,用点动的方式进行机械手的移动操纵,对应的操纵按钮在操纵面板之上;在自动方式下,机械手依照编制的自动操纵程序实现自动运行,完成工件的抓取。

三、确信系统整体设计方案
在进行程序的设计之前,先设计出应用程序的整体方案如图2,图中把整个程序分成两大块,即手动和自动两部份。

图2 系统整体设计方案
四、确信输入/输出元件，选择PLC机型
本设计采纳的PLC是三菱公司的FX2N系列。

PLC的硬件结构要紧由CPU、存储器、I/O接口电路、通信接口、扩展接口和电源等部份组成。

其中,CPU是PLC的核心,I/O接口电路是连接现场设备与CPU之间的桥梁,通信接口用于和外围设备进行连接,大体结构如图3所示。

图3 PLC大体结构
五、确信PLC的I/O分派
输入方面分为手动操纵和自动操纵。

依照机械手的操纵要求,系统需要以下输入点,具体分派为:X轴原点信号、Y轴原点信号、停止、手动/自动选择、手动左行、手动右行、手动前进、手动后退、手动上升、手动下降、手动夹紧、手动松开、XI位置、X2位置、X3位置、Y1位置、Y2位置、Y3位置、Z1位置、Z2位置、伺服X-READY、伺服Y-READY、工件到位信号、工作终止。

系统需要输出点具体分派为:X脉冲输出、Y脉冲输出、X方向操纵、Y方向操纵、启动预备、伺服X报警、伺服Y报警、Z轴上升、Z轴下降、夹紧、工作启动、工作终止、机械手等待。

I/O分派如表1所示：
表1 I/O分派
六、设计应用程序
(一)回原点的操作
系统初始时刻,需要对机械手进行回原点操作。

在直线轨迹上选择其中一个点作为参考点,从而取得一构建坐标系,关于实现操纵提供参考系。

在三菱的PLC中,由于FX2N系列没有专门的回原点指令,因此采纳其PLSY 脉冲输出指令进行原点回归操作。

输出端的Y2操纵伺服电机转动的方向,通过实验,假设通电时刻电机向原点的反方向运动,那么换置Y2的值,保证上电时刻电机向着原点方向前进。

系统在初始化执行回原点程序后,机械手停在原点。

回原点操纵程序的流程图如图4所示
图4 回原点的程序
(二)手动运行方式
1.运行流程
被选择手动操纵方式时,"手动/自动"按钮不按下,现在系统的操纵采纳点动的方式进行,由各个对应的手动操作按钮来操纵机械手的相应动作。

当按钮被按下时,相应的执行元件动作,直到抵达运动的终点碰着行程开关或按钮松开。

手动的按钮有"X轴左移"、"X轴右移"、"Y轴前进"、"Y轴后退"、"Z轴上升"、"Z轴下降"、"手动吸附"和"手动松开"。

为保证系统的平安运行,在手动程序中设置了必要的软件联锁,以幸免误动作手动。

如机械手只有在Z轴的上限位Z1处才能执行X轴的左右移动和Y轴的前后移动。

因此在设计程序中加入了竖梁的上限位开关的常开触点作为联锁,避免机械手在较低位置时移动与别的物体发生碰撞,即当Z1置位时,伺服电机才能够驱动X、Y轴进行移动。

机械手的吸附放松动作由一个电磁阀操纵,手动吸附按钮按下时,PLC的Y11输出口置位,使得操纵吸附动作的电磁阔CY2-1得电,完成吸附动作;按下手动松开按钮时,PLC的Y11输出口复位,对应的电磁阔CY2-1失电,机械手气动吸盘松开。

手动操纵程序的流程图如图5所示：
图5 手动操纵程序流程图
依照上述流程图的原那么,设计手动操作程序。

当对X轴进行移动操作时,按下操纵面板上的"手动左移"或"手动右移"按钮,机械手臂执行左右移动动作。

图6为X轴手动操纵的梯形图。

图6 X轴手动操纵的梯形图
关于X轴移动,对应的辅助继电器M3置位,执行在回原点程序中已用到的PLSY指令。

如图7所示：
图7 X轴的PLSY指令
关于Y轴的前进和后退,其大体原理与X轴的移动相似,只是脉冲输出口变成Yl,方向操纵输出为Y3。

对应的数据寄放器变成D10和D11,方向Y3置位时为后退方向,复位时为前进方向,手动前进的程序如图8所示。

图8 Y轴手动移动程序
在执行Y轴的移动时,一样需要执行在Y轴回原点进程顶用到的PLSY指令,如图9所示。

图9 X轴的PLSY指令
关于Z轴气缸的上升和下降操纵,程序如图10所示。

图10 Z轴手动移动程序
5.夹紧和松开操纵
手动夹紧和松开的程序如图11。

图11 吸附和放松手动操纵程序
依照上述的手动操作,能够按动相应的按钮,以点动的方式对机械手进行相应的操作,完成手动操纵功能。

(三)自动运行方式
1.误操作的禁止
自动方式（持续、单周期、单步）时，按一次操作按钮自动运行方式开始，尔后再按操作按钮属于错误操作，程序对错误操作不予响应。

另外，当机械手抵达右工位上方时，下一个工作步确实是下降。

为了确保在右工位没有工件时才能开始下降，应在右工位设置有无工件检测装置。

此题利用光耦合器VLC来检测工作台上有无工件。

依照上述操纵要求，操作盘上要设置：一个PLC的电源开关（不占输入点）；一个工作方式选择开关和一个动作方式选择开关，通过这两个开关选择工作方式和动作方式；操作按钮和停车按钮各一个。

2.运行流程
自动操作程序是指系统从初始步开始依照周期反复地持续工作。

依照机械手的动作要求,先确信自动操纵的顺序功能图,再依照顺序功能图进行程序的设计。

自动操纵程序的详细动作时序图如下所示:
(1)机械手停原点,等待流水线工件到位信号;
(2)工件到位信号上升沿;
(3)X轴移动至XI, Y轴移动至Yl, Z轴下降至Z2;
(4)吸附工件,延时2S,工件在流水线上被抓取；
(5)Z轴上升至Zl, X轴移动至X2, Y轴移动至Y2;
(6)Z轴下降至Z2,释放工件,延时2S,工件放于抛光机之上;
(7)抛光启动;
(8)抛光等待;
(9)抛光完成信号上升沿;
(10)Z轴下降至Z2,吸附工件,延时2S;
(11)Z轴上升至Zl, X轴移动到X3, Y轴移动到Y3;
(12)Z轴下降至Z2,释放工件,延时2S,工件放亍装箱机之上;
(13)Z轴上升至Zl, X轴回原点、Y轴回原点;
(14)等待流水线工件到位信号。

以上1-14形成一个循环,为自动操纵程序的一个周期,在自动化生产线上,依照此种方式周而复始地进行工件的抛光和装箱动作,直到PLC停机或按下停止按钮。

图12所示为自动程序的流程图。

依照此程序流程图,设计机械手的自动操作程序,可实现机械手依照自动方式运行。

在每收到光电信号的输入时,程序将需要移动的数值放入数据寄放器中,在对应的子程序中,实现寄放器的加减运算,达到伺服电机的操纵成效。

图11 自动操纵流程图
七、调试应用程序
对编好的程序，能够先利用模拟实验板模拟现场信号进行初步的调试。

经反复调试修改后，使程序大体知足操纵要求。

八、制作电气操纵柜和操纵盘
在系统硬件组成方案确信以后，能够考虑电气操纵柜及操纵盘（或称操作盘）的设计和制作。

在动手制作之前，要画出电气操纵主电路电路图。

在操纵主回路时，要全面地考虑各类保护和连锁等问题。

在操纵柜布置和敷线时，要采取有效的方法抑制各类干扰信号，同时注意防尘、防静电、防雷电等问题。

九、联机调试程序
联机调试能够发觉程序存在的实际问题和不足，通过调试和修改后，使程序完全符合操纵要求。

调试前要制定周密的调试打算，以避免由于工作的盲目性而隐藏了应该发觉的问题。

另外，程序调试完毕必需通过一按时刻运行实践的考验，才能确信程序是不是达到操纵要求。

十、编写技术文件
这部份工作包括整理程序清单并保留程序，编写元件明细表，绘制电气原理图及主回路电路图，整理相关的技术参数，编写操纵程序系统说明书等。

总结
本文对PLC操纵的物料机械手的操纵系统进行了设计。

以 PLC 为主操纵器实现了机械手的自动化操作。

可是由于时刻和其他客观条件的限制，仍存在一些不足。

本次设计更多的是理论层次的研究,设计的任务之一是针对机械手换向回路编写PLC操纵程序,由于对PLC指令系统不熟悉和梯形图程序的编写也不是很熟练,编写程序的进程中碰到专门大困难,也做了很多的参考，比如之前参照设计了几套程序,后来都一一被否定。

尔后应加大PLC操纵系统的学习和增强实践环节,如此才能使设计的PLC和触摸屏程序加倍完善和靠得住。