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原创 2020-04-25 17:40  阅读

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  广东省工人技师职务申请 评审论文 论文题目:四自由度机械手 PLC 控制系统的设计 姓 名:刘勇石 单 位:韶能集团钓鱼台水电厂 原技术工种名称:高级电工 申报时间:2006 年 6 月 广东省劳动和社会保障厅 四自由度机械手 PLC 控制系统的设计 [摘要]随着工业机械手的进一步发展,其发展将更趋向于人性化、智能化并将在 更加广泛的领域得到应用。本文将以四自由度工业机械手为例,采用可编程序控制器 (PLC)设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。 [关键词]步进控制、自动控制、单周控制、状态初始化、状态转换 随着现代工业生产的迅速发展,工业搬运机械手得以广泛应用,它对稳定、提高产品 质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。因 而对机械手的控制要求也越来越高,若用传统的继电器控制方案进行控制,势必造成 系统元件多,接线繁杂、稳定性差、故障率高,给工业生产带来很多不便;针对这些 问题如果采用性能价格比高的可编程序控制器(PLC)设计其控制系统,可使该系统的 运行可靠性高、故障率低、维修方便,取得良好的工作效果。本文以四自由度工业机 械手为例,采用可编程序控制器(PLC)设计其控制系统。效率分析 一、机械手动作过程与要求 1、机械手的运动机构 ①四自由度工业机械手动作过程如图所示,其中,1 为立柱作 180°的回转运动, 2 为沿立柱作上下移动,3 为沿水平方向作 3 45 伸缩运动柱,4 为手腕作 180°的回转运动,凯发游戏娱乐官网, 5 为手指的夹紧、放松运动。对应每个动作 2 均装有行程到位检测开关、机械手减速作缓,1 冲运动的检测开关用来作为 PLC 控制机械手 动作的输入信号,使其在运动过程中定位准确、平稳。 ②控制的气动回路图及电磁阀动作表如图所示。 上升 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 + 上升缓冲 + + 正摆 + 夹紧 + 伸出 ++ 伸出缓冲 ++ + 正转 + + 放松 缩进 + 缩进缓冲 ++ 反转 + 反摆 + 下降 + 下降缓冲 + + 2、机械手的控制方式 (1)回原点控制:由操作面板上的选择开关选择回原点,再由回原点按钮进行控 制,整个过程自动完成,并有回原点到位显示。 (2)手动控制:由操作面板上的选择开关选择手动,再由面板上的按钮分别控制 手动控制机械手的十个动作。 开始 (3)自动控制方式,其动作流程图如图所示。 a、步进控制:由操作面板上的选择 上升 开关选择步进控制,每按一次起动按钮, 正摆 机械手按动作顺序,向前执行一步动作。 夹紧 b、单周控制:由操作面板上的选择 开关选择单周控制,机器在原位时,按下 正转 起动按钮,自动的完成一个执行周期的 伸出 操作,操作完后机器又停在原位上。若在 放松 执行过程中,按下停止按钮,则机器停留 缩进 该步工序上。再按下起动按钮,则又从该 步工序继续工作,最后仍自动地停在原位 反转 上。 反摆 下降 c、自动控制:由操作面板上的选择开关选择自动控制方式,机器在 原位时,按下起动按钮,机器就连续周期地重复进行各步序工作。直到按下 停止按钮,机器执行完最后一个工作周期返回原位,然后停机。 二、机械手控制的 PLC 造型及 I/O 分配 根据机械手的控制要求,所有的输入量均为开关量,且输入点为 30 点、输出点为 23 点,共计 53 点。为此,考虑预留一定的 I/O 余量及 PLC 硬件资源充分利用的要 求,选用性能价格比较高的 FXON-60MR 可编程序控制器。 (一)、FXON-60MR 性能简介 FXON-60MR 基本单元输入继电器编号为 X0-X7,X10-X17,X20-X27,X30- X37,X40-X43,共 36 点,输出继电器编号为 Y0-Y7,Y10-Y17,Y20-Y27,共 24 点,内部有辅助继电器 384 点、保持继电器 128 点(电池支持),256 个专用辅助继电 器,凯发游戏娱乐官网及一些常用的定时器、计数器、状态器。 (二)、机械手 PLC 控制的 PLC I/O 表 输入地址 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X20 对应开关 SA1-1 SA1-2 SA1-3 SA1-4 SA1-5 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 SB12 名称作用 单一操作 返回原点 步进控制 单周控制 连续控制 返回原点按钮 起动按钮 停止按钮 正转按钮 反转按钮 伸出按钮 缩进按钮 正摆按钮 反摆按钮 夹紧按钮 放松按钮 上升按钮 输入地址 X21 X22 X23 X24 X25 X26 X27 X30 X31 X32 X33 X34 X35 对应开关 SB13 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 SQ10 SQ11 SQ12 名称作用 下降按钮 上升行程开关 上升缓冲检测开关 下降缓冲检测开关 下降行程开关 正摆行程开关 反摆行程开关 伸出行程开关 伸出缓冲检测开关 缩进缓冲检测开关 缩进行程开关 正转行程开关 反转行程开关 输出地址 动作元件 功能作用 输出地址 动作元件 功能作用 Y3 YA1 上升 Y12 YA8 伸出 Y4 YA2 下降 Y13 YA9 缩进 Y5 YA3 上升缓冲 Y14 YA10 缩进缓冲 Y6 YA4 下降缓冲 Y15 YA11 伸出缓冲 Y7 YA5 正摆 Y16 YA12 正转 Y10 YA6 反摆 Y17 YA13 反转 Y11 YA7 夹紧 Y1 HL2 原点显示 三、电气控制系统设计 (一)PLC 控制系统端口分配及接线图 正转 反转 伸出 缩进 正摆 反摆 夹紧 松开 上升 下降 上限 上升检测开关 下降检测开关 下限 正摆限 反摆限 伸限 伸出检测开关 缩进检测开关 缩限 正转限 反转限 工作方式选择 返回原位 启动 停止 上升 COM0 下降 上升缓冲电磁阀 COM1 下降缓冲电磁阀 正摆 COM2 反摆 夹紧 COM3 伸出 缩进 COM4 缩进缓冲电磁阀 伸出缓冲电磁阀 COM5 正转 反转 原点指示灯 单一 返回 COM6 步进 单周 连续 COM FXON-60MR PLC PLC现场器件实际安装接线图 四、PLC 的程序设计 (一)根据机械手的工艺要求及其控制方式,设计出控制系统软件的流程图。 开始 初始化 状态转换程序 手动 Y N 手动程序 回原点 Y N 自动 Y 回原点程序 N 自动程序 结束 (二)根据上述系统软件流程图,设计系统的程序结构图。 通用程序 通用程序 X0 CJ P0 手动程序 P0 X1 CJ P1 P1X2X3X4 P2 返回原点程序 CJ P2 自动程序 END (三)程序模块及程序梯形图 1、状态初始化 在程序设计过程中,手动程序的工作顺序不需要从原位开始,故选择单一手动操 作时,对 S0 复位,而回原点的目的是保证自动程序能从原点开始,故对 S0 置位,同 时为了保证在回原点和手动操作误按起动按钮,造成机械手出现误动作,因此在这个 操作时,将中间状态的状态器进行成批复位。 X1 X5 SET S0 X0 X0 X1 RST S0 ZRST S20 S30 M8002 2、状态转换起动 在自动程序中,包括步进、单周和连续操作三种方式,为能确认选择三种不同的 操作,设置了状态转换起动电路。 X4 M0 X7 X2 (M0) X6 X3 X4 X25 X27 Y11 X33 X35 (Y25) M0 为开始转换状态辅助继电器,Y25 为原点的条件,而 M0 的控制正是根据自动程序中三 种不同的操作方式设计的,如:步进、 单周控制时,只需一个起动的信号,就可以实 现从原点起动,并按流程图的顺序转换,直至停止,对连续控制,则要求保证有一个 连续的 M0 的信号,故采用 X4 与 M0 相串联的自保持电路。 3、状态转换禁止 当用步进梯形指令控制状态器转换时,特殊辅助继电器 M8040 动作,则状态器的自 动转换就被禁止,这样设计的目的,是为了(1)在单周操作时,保证在按下停止按钮 时,操作停止在现行工序,而当按起动按钮时,又可以继续工作。(2)在步进方式 时,M8040 始终得电,状态器自动转换被禁止,按一下起动按钮,在当前状态的工作完 成的前提下,才能进行下一状态转移,完成下一步工序处理。 X6 X7 X3 M2 X2 [PLS M2] (M8040) X0 X1 M8002 M8040 4、回原点程序 在选择回原点的工作方式,只要按下回原点按钮,则整个过程自动完成。当返回 原点后设置显示装置,其动作的顺序为:松开—缩进—反转—反摆—下降—结束并显 示原点位置。 X1 X5 M3 M3 X25 (M3) [RST Y11] X33 (Y13) X32 (Y14) Y14 X33 X35 (Y17) X35 X27 (Y10) X27 (Y4) X24 (Y6) Y6 5、手动程序 在有初始化程序的前提下,只要按相应的按钮,就可以完成相应动作的要求,故 电路中只要设置必要的联锁及限位控制。 X20 X21 X22 Y4 X23 (Y5) Y5 X21 X20 X25 Y3 X24 (Y6) Y6 X14 X15 X26 Y10 X15 X14 X27 Y7 X16 X17 (Y3) (Y4) (Y7) (Y10) [SET Y11] X17X16 [RST Y11] X10X11X34Y17 X11X10X35Y16 X12X13X30Y13 X31 (Y15) (Y12) (Y16) (Y17) Y15 X13X12X33Y12 (Y13) X32 (Y14) Y14 6、自动程序 根据动作流程图,采用顺控步进指令很方便就可实现要求,结合相应的转移条 件,设计出状态转移图和梯形图。 S0 STL S20 M0Y25 X23 (Y5) [SET S20] (Y3) Y5 X22 STL S21 X26 STL S22 [SET S21] [SET S22] (Y7) [SET Y11] (T0 K50) T0 STL S23 [SET S23] (Y12) X31 (Y15) Y15 X30 [SET S24] STL S24 X34 STL S25 T1 STL S26 X32 Y14 X33 STL S27 X35 (Y16) [SET S25] [RST Y11] (T1 K50) [SET S26] (Y13) (Y14) [SET S27] [SET S28] (Y17) STL S28 X27 STL S29 X24 Y6 X25 [SET S29] (Y6) (Y10) (Y4) [SET S0] [RST] 7、将上述通用程序块、手动程序块、自动程序块、回原点程序块,按跳转条件程 序有机地连接起来,即得到四自由度机械手实现控制的总程序。 结束语: 通过本次设计使我加深了对 PLC 的理解,扩大和深化了专业知识面。因此我们只 有通过不断加强学习,才能提高适应现代技术发展的能力和要求。 在撰写本文过程中,非常高兴得到韶关高级技校授课老师高志、廖燕峰、赖小 群,特别是广东工业大学教授的指导,谨此表示致谢! ◆参考文献: 1、《机电一体化设计手册》 2、张海根 主编《机电传动控制》 3、三菱微型可编程控制器 FXON 使用手册 4、钟肇新 彭侃 编译《可编程控制器原理及应用》

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