凯发游戏娱乐官网机械手PLC控制系统设计-(终do

原创 2020-04-29 00:40  阅读

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  读万卷书 行万里路 读万卷书 行万里路 四川理工学院毕业设计 基于PLC的搬运机械手控制系统的设计 学 生:尤月 学 号: 专 业:机械设计制造以及自动化 班 级:机电一体化2010.3 指导教师:廖映华 四川理工学院机械工程学院 二O一四年六月 读万卷书 行万里路 摘 要 机械手的积极作用正日益为人们所认识,其一,它能部分地代替人的劳动。并能达到生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为,它能大大地改善工人的劳动条件,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此,受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合,应用得更为广泛。在我国,近代几年来也有较快的发展,并取得一定的成果,受到各工业部门的重视。 本课题拟开发物料搬运机械手,采用的德国西门子S7-200系列和三菱FX2N系列PLC,对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。控制2个机械手,搬运机械装置和分捡大小球的机械装置。我们利用可编程技术,结合相应的硬件装置,控制机械手完成各种动作。 关键词:机械手;PLC控制;梯形图 ABSTRACT The positive role of the manipulator increasingly known by people .first, it can partly replace human labor and can achieve the production requirements, follow a certain procedure, time and location to complete the artifacts transfer. Because it can greatly improve the working conditions and workers accelerate the realization of industrial production mechanization and automation pace. Therefore, by various advanced unit spent a great deal of attention and manpower to research and application. Especially in high temperature and high pressure and dust, noise occasions, application is more widely. In China, the modern years also have developed quickly, and obtained a lot of results and every part’s attention. This paper intends to develop sorting through the manipulator, material handling by German Siemens s7-200 and FX2N PLC, the fluctuation, left and right sides of manipulator and grab motion control. Used in the mechanical device can .We use programmable technology, combined with the corresponding hardware device, control and finish all kinds of actions. Keywords: manipulator; PLC control; ladder diagram 目 录 TOC \o 1-3 \h \u HYPERLINK \l _Toc23409 摘 要 PAGEREF _Toc23409 I HYPERLINK \l _Toc21497 ABSTRACT PAGEREF _Toc21497 II HYPERLINK \l _Toc13524 第一章 绪论 PAGEREF _Toc13524 1 HYPERLINK \l _Toc2717 1.1 问题的提出 PAGEREF _Toc2717 1 HYPERLINK \l _Toc22822 1.2 国内外机械手的研究现状及其意义 PAGEREF _Toc22822 1 HYPERLINK \l _Toc4879 1.3研究思路与主要内容 PAGEREF _Toc4879 2 HYPERLINK \l _Toc30005 第二章 机械手PLC控制系统设计(一) PAGEREF _Toc30005 3 HYPERLINK \l _Toc24020 2.1 机械手控制系统的分析 PAGEREF _Toc24020 3 HYPERLINK \l _Toc31414 2.2 机械手控制的基本工艺和控制要求 PAGEREF _Toc31414 3 HYPERLINK \l _Toc21507 2.3 机械手PLC控制的硬件设计 PAGEREF _Toc21507 6 HYPERLINK \l _Toc23478 2.3.1 PLC的选型 PAGEREF _Toc23478 6 HYPERLINK \l _Toc24447 2.3.2 输入/输出端子地址分配 PAGEREF _Toc24447 7 HYPERLINK \l _Toc17001 2.3.3 电气元件的选择 PAGEREF _Toc17001 8 HYPERLINK \l _Toc21000 2.3.4 控制系统的电气原理图 PAGEREF _Toc21000 11 HYPERLINK \l _Toc12426 2.4 程序设计 PAGEREF _Toc12426 12 HYPERLINK \l _Toc2453 2.4.1 PLC的程序设计思想 PAGEREF _Toc2453 12 HYPERLINK \l _Toc2734 2.4.2系统的程序流程图 PAGEREF _Toc2734 12 HYPERLINK \l _Toc25827 2.4.2 机械手控制系统主程序 PAGEREF _Toc25827 15 HYPERLINK \l _Toc30517 2.4.3 自动方式下步进控制子程序 PAGEREF _Toc30517 15 HYPERLINK \l _Toc28957 2.4.4 自动方式下单周期控制子程序 PAGEREF _Toc28957 17 HYPERLINK \l _Toc30141 2.4.5 自动方式下连续控制子程序 PAGEREF _Toc30141 18 HYPERLINK \l _Toc16894 2.4.6 手动操作控制子系统 PAGEREF _Toc16894 20 HYPERLINK \l _Toc31563 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc31563 20 HYPERLINK \l _Toc12262 第三章 机械手PLC控制系统设计(二) PAGEREF _Toc12262 22 HYPERLINK \l _Toc124 3.1 系统的功能 PAGEREF _Toc124 22 HYPERLINK \l _Toc21432 3.2 机械手二总体结构方案 PAGEREF _Toc21432 22 HYPERLINK \l _Toc6779 3.3 设计分析 PAGEREF _Toc6779 23 HYPERLINK \l _Toc5752 3.4 控制要求 PAGEREF _Toc5752 23 HYPERLINK \l _Toc15519 3.5 电路设计和PLC控制电路设计 PAGEREF _Toc15519 24 HYPERLINK \l _Toc6912 3.5.1 主电路图 PAGEREF _Toc6912 24 HYPERLINK \l _Toc28621 3.5.2 PLC选型 PAGEREF _Toc28621 25 HYPERLINK \l _Toc14922 3.5.3 电气元件选择 PAGEREF _Toc14922 26 HYPERLINK \l _Toc30228 3.5.4 PLC外部接线图 PAGEREF _Toc30228 29 HYPERLINK \l _Toc20258 3.6 程序设计 PAGEREF _Toc20258 30 HYPERLINK \l _Toc17448 3.6.1 机械手的工作流程图 PAGEREF _Toc17448 30 HYPERLINK \l _Toc13366 3.6.2 机械手控制系统的顺序功能图和梯形图 PAGEREF _Toc13366 31 HYPERLINK \l _Toc18334 3.6.3 程序分析 PAGEREF _Toc18334 34 HYPERLINK \l _Toc12256 3.7 本章小结 PAGEREF _Toc12256 34 HYPERLINK \l _Toc26647 第四章 结论 PAGEREF _Toc26647 35 参考文献 HYPERLINK \l _Toc9001 PAGEREF _Toc9001 36 致谢 HYPERLINK \l _Toc25280 PAGEREF _Toc25280 37 读万卷书 行万里路 读万卷书 行万里路 第一章 绪论 1.1 问题的提出 随着工业自动化的发展,自动化设备渐渐代替人工作业成为现代工业的发展趋势。工业计算机的发展和运用,结合计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统,引导工业自动化向一个新的领域过渡。机械手作为一种自动执行设备,能模仿人手和手臂的某些动作功能,按固定程序抓取、搬运物件,进行装配操作能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 机械手控制系统就是将机械手的运行经过一套系统进行完全的控制。这种控制系统提高了机械手的生产质量和效率,凯发游戏娱乐官网并且节约了成本和时间。而PLC由于其高的可靠性、编程方便、易于使用和修改、易于扩展和维护、环境要求低、体积小、安装和维修方便等优越性得以在工业控制中广泛运用。 1.2 国内外机械手的研究现状及其意义 国内机械主要用于机床加工、锻造、热处理等方面,数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以,在国内主要是逐步扩大运用范围,重点发展铸造、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件,在运用专用机械手的同时,相应的发展通用机械手,有条件的还可以研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度,减少重进,正确定位,以使更好的发挥机械手的作用。此外还应该大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机连用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造中应运较多,发展也很快。目前爱女主要用于机床横缎压力机的上下料,以及点焊/喷漆等作业,它可以按照事先制定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使使它具有一定的传染能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如果位置发生稍许偏差时,就能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。 新世纪,生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中,生产过程的机械化/自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中,加工/装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来,不仅费时而且效率不高。同时人力的劳动强度非常大,有时还会出现失误及伤害。显然,这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程序。机械手的应用很多的解决了这一情况,它不存在重复的偶然失误,也能有效的避免了人身事故。 在机械工业中,机械手的运用具有以下意义: 第一,可以提高生产过程的自动化程度。运用机械手,有利于提高材料的传送、弓箭的装卸、刀具的更换以及机器的装配等自动化程度,从而可以提高劳动生产率、降低生产成本、加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 第二,可以改善劳动条件,避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或者其他毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或者根本不可能的。而运用机械手即可部分或者全部代替人安全地完成作业,大大的改善了工人的工作条件。同时,在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或者疏忽而造成的人身事故。 第三,可以减少人力,便于有节奏的生产。运用机械手代替人手进行工作,机械手工作时间也可以比人力持久。 1.3研究思路与主要内容 机械手控制系统主要采用以下三种方式:一是继电器控制系统、二是PLC控制系统、三是微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高,控制方式不灵活及功率消耗大等缺点,目前已经逐渐被人们所淘汰;微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能,但也存在一定的不足之处,即抗干扰性差,系统设计较复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术。而PLC由于高的可靠性、抗干扰能力强、操作方便、维修容易、易于实现机电一体化、环境要求低、易于扩展和维护、体积小巧等优越性,在工业控制中有着很广泛的运用,所以优先选择PLC。 本文主要完成了两个常见搬运机械手的PLC控制系统的设计。首先第一步,分析机械手控制系统。包括系统的控制方式、机械手控制的基本工艺和控制要求、操作面板的布置。第二步,根据控制系统进行机械手控制系统的PLC控制的硬件设计。包括PLC的选型、输入输出端的地址分配、控制系统的电气原理图。第三步,进行软件设计。根据设计的复杂程度,可以将程序设计分为两个阶段,即程序的总体结构设计和各部分程序设计。第四步,进行程序综合与模拟调试。 读万卷书 行万里路 第二章 机械手PLC控制系统设计(一) 2.1 机械手控制系统的分析 机械手控制系统主要采用以机械手控制系统主要采用以下三种方式:一是继电器控制系统、二是PLC控制系统、三是微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高,控制方式不灵活及功率消耗大等缺点,目前已经逐渐被人们所淘汰;微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能,但也存在一定的不足之处,即抗干扰性差,系统设计较复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术。而PLC由于高的可靠性、抗干扰能力强、操作方便、维修容易、易于实现机电一体化、环境要求低、易于扩展和维护、体积小巧等优越性,在工业控制中有着很广泛的运用。所以优先选择PLC。 2.2 机械手控制的基本工艺和控制要求 图2-1机械手动作示意图 如图2.1所示,是一台工件传送的气动机械手的动作示意图。作用是把工件从A处传动到B处,气动搬运机械手的升降和左右移动分别由2个具有双线圈的两位电磁阀驱动汽缸来实现。其中,上升和下降对应的电磁阀线,左行和右行对应的电磁阀线。电磁阀线圈得电,就始终保持现在的动作,等到相对的另一个线圈得电为止。此机械手的的夹紧和松开动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的汽缸来实现。线断电的时候就夹紧工件,得电的时候就松开工件,以防止停电时的工件跌落,机械手的工作臂都设有上下限位和左右限位的位置开关SQ1,SQ2和SQ3,SQ4。夹紧装置不带限位开关,它通过一定的延时来实现其夹紧动作。此机械手在最上面、最左边且除松开的电磁线通电外,其他线圈全部断电的状态为机械手的原位。 图2-2机械手动作过程 其动作过程分为一下八步,具体过程如图2-2所示。 ①从原点开始,按下启动按钮,下降电磁阀通电,机械手下降。下降到位时,碰到下限位开关,下限电磁阀断电,停止下降。 ②同时接通夹紧电磁阀,停止下降。 ③夹紧后,上升电磁阀通电,机械手上升。上升到位时,碰到上限位开关,上升电磁阀断电,停止上升。 ④同时接通右移电磁阀,机械手右移。右移到位时,碰到右限位开关,右移电磁阀断电,停止右移。 ⑤若此时工作台上无工件,则光电开关接通,下降电磁阀通电,机械手下降。下降到位,碰到下限开关,下降电磁阀断电,停止下降。 ⑥同时夹紧电磁阀断电,机械手放松。 ⑦放松后,上升电磁阀通电,机械手上升。上升到位时,碰到上限位开关,上升电磁阀断电,停止上升。 ⑧同时接通左移电磁阀,机械手左移。左移到位时,碰到左限位开关,左移电磁阀断电,停止左移。至此,机械手经过了八步完成了一个周期的动作。 图2-3控制盘面板布置图 机械手的操作方式分为手动操作和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作的方式。 ①手动操作方式 手动操作当时是用按钮实现对机械手的每一步运动单独进行控制。比如,当选择上/下运动时,分别由上升/下降按钮控制。当选择左/右运动时,分别由左移/右移按钮控制。当选择夹紧/放松运动时,分别由夹紧/放松按钮控制。 ②自动操作方式 单步操作:每按一次启动按钮,机械手完成一步动作后自动停止。 单周期操作:机械手从原点开始,按一下启动按钮,机械手自动完成一个周期的动作后就停止。 连续操作:机械手从原点开始,按一下启动按钮, 机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。在工作工程中,如按停止按钮,则机械手将继续完成此周期的动作,回到原点后自动停止。 图2-3所示是可编程控制器控制面板布置图。由工作方式选择开关。根据不同的工作方式,包括手动/自动方式选择、手动方式的操作按钮、自动方式中的三种操作方式选择和操作按钮。另外,面板上还应该设置电源供给按钮、紧急停车按钮、电源指示灯以及机械手原点指示灯。 2.3 机械手PLC控制的硬件设计 西门子的SIMATIC S7-200系列PLC是一类小型的可编程序控制器,适用于各行各业,各种场合中的检测、检测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,还是相连成网络都能实现复杂的控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价比。S7-200系列的出色表现在以下几个方面。极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯功能以及丰富的扩展模块。 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大的功能。适用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。运用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床,磨床,橡胶化工机械,电梯控制等等。所以本课题的机械手控制系统的PLC选用西门子S7-200类型。 2.3.1 PLC的选型 西门子226CPU集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连续7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。它有13K字节程序和数据存储空间,6个独立的30kHZ高速计数器,2路独立的20kHZ高速脉冲输出,具有PID控制器,2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块化扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可以完全适应于一些复杂的中小型控制系统。再考虑冗余的设计要求,I/O点需要10%的冗余量。 通过对系统的分析,该机械手控制共有18个输入点和6个输出点。根据PLC选型I/O点数和存储器容量要有一定的冗余量以及通信功能较强的要求,本课题控制主机类型选择德国西门子公司的S7-200 CPU226。 表2-1 S7-200CPU226的主要参数 输入点数 输出点数 扩展模拟量 存储空间 最大负载电流 24 16 35-248 13K 1000mA 综上可知,CPU226的I/O点充足并且还有冗余,最大负载电流为1000mA以及其它功能均能满足本机械手控制系统需要,故该控制系统不必添加扩展模块。其主要参数如表2-1所示,形状图如图2-5所示。 图2-5 西门子公司S7-200的形状图 2.3.2 输入/输出端子地址分配 机械手控制系统共用了18个输入量和6个输出量。其中I/O具体分配如表2-2。 表2-2输入输出分配表 输入点 输出点 端子编号 作用 端子编号 作用 I0.0 自动方式下启动 Q0.0 电磁阀下降线 电磁阀上升线 电磁阀左移线 电磁阀右移线.6 自动方式下停止 I0.7 手动/自动选择开关 I1.0 自动方式下步进操作 I1.1 自动方式下单周期操作 I1.2 自动方式下连续操作 I1.3 手动上升操作 I1.4 手动下降操作 I1.5 手动右移操作 I1.6 手动左移操作 I1.7 手动夹紧操作 I2.0 手动放松操作 I2.1 急停按钮 2.3.3 电气元件的选择 (1) 按钮的选择 按钮的选择原则:①根据使用场合,选择控制按钮的种类,如开启式,防水式,紧急式等;②根据用途,选用合适的型式,如钥匙式,紧急式,带灯式等;③按控制回路的要求,确定不同的按钮数,如单钮,双钮,三扭,多钮等;④按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。 按钮的参数:一般规格为交流500V,允许持续电流为5A,红色按钮表示停止按钮,绿色按钮表示启动,为了区别按钮的颜色,按钮的选择为LA25-D,指带指示灯的按钮,额定电压为24V。 (2) 行程开关的选择 行程开关的分类:直动式,滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优点是结构简单,成本低,但容易烧蚀触头。滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点,但其结构复杂,价格也较贵,所以选择微动式行程开关,体积小,动作灵敏,适用于小型机构中使用。即型号为:LX32-4S (3) 接近开关的选择 接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件-位移传感器,利用传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通断的目的,当有物体移向接近开关,并接近到一定距离时,位移传感器才有“感知”,开关才会动作。在设计中,接近开关SQ1-SQ4分别机械手上下左右运动的定位。 接近开关分为霍尔接近开关,超声波接近开关,高频振荡接近开关。其中霍尔接近开关用于检测磁场,一般用磁场钢作为被检测体。超声波接近开关适用检测不能或不可触及的目标,其控制功能不受声、电、光等因素的干扰,检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体,只要能反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几部分组成,高频振荡式接近开关用于检测各种金属,主要由高频振荡器,集成电路晶体管放大器和输出器三部分组成。 接近开关的产品种类十分丰富,常用的国产开关由LJ,3SG和LX18等。LJ5系列接近开关采用磁振荡原理,用来检测金属物体的存在。它采用国际统一的外形及安装尺寸,圆柱螺纹安装,外壳防护等级为IP65,允许周围温度范围为-25℃~-30℃。同一产品适用电压范围为AC30~200V,DC10~30V(二线型)和(三线万次以上,接近开关类型即为:LJ5A-10/330 (4) 转换开关的选择 转换开关是一种多档位,多触点,能够控制多回路的主令电器,可以用于控制小容量电动机的启动、转向、调速、正反转控制等,常用的万能转换开关有LW2、LW5、LW6、LW8等系列,在此设计中机械手操作方式有手动,单周期,连续。所以选LW5系列的万能转换开关比较使用。 (5) 刀开关的选择 刀开关是一种手动电器,为了简单,方便,选择HD型单投刀开关,分为1级,2级,3级,其型号为HD13B-200/3 (6) 时间继电器的选择 时间继电器在控制电路中用于时间的控制,有JS23,JS27A,JS27A,JSK,7PR,SS-18等系列的时间继电器。经过调查对比,JS27系列时间继电器是国内厂家90年代针对重电控行业特点开发的产品,凯发游戏娱乐官网,适用于交流50HZ,电压至380V。直流电压至220V的电路中,控制延时通断,能在起重机工作振动和户外等工作,复合设计的要求,即时间继电器型号为JS27A (7) 接触器的选择 接触器的选择原则:①根据敷在性质选择接触器类别,一般交流负载选择交流接触器,直流负载选择直流接触器;②根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流;③根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压;④根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。 根据以上原则,选择交流电磁式接触器,CJ12系列接触器适用于交流50HZ,额定工作电压至380V,额定电流至600A的电路中。拱远距离接通如分断电路及对电动机频繁进行等设备上。其型号为CJ12-600。 (8) 熔断器的选择 熔断器在电路中主要起短路保护的作用,用于保护线路,熔断器具有结构简单,体积小,重量轻,使用维护方便,价格低廉,分段能力较高,限流能力良好等优点,熔断器有NT、RT、RL、FA4、RLS2等型式的熔断器,RT系列为有填封实熔断器,可在500V以下交流系统中作为过载及短路保护用,这种熔断器为螺栓连接,可以直接连在母线排上,尤其适合开关熔断器组选用,RT15熔断器最大额定电流400A,额定分段能力为100KA。 (9) 电动机的选择 电动机是选交流的,而电动机分为异步电动机和同步电动机两类,异步电动机主要用作电动机,去拖动各类生产机械。由于异步电动机具有结构简单,制造使用方便,运行可靠,成本低,效率高等优点而得到广泛的运用。例如,在工业生产中,异步电动机用于拖动中小型轧钢设备,各种金属切削机床,轻工机械和矿山机械等;在农业生产中,异步电动机用于拖动水泵,粉碎机以及其他农副产品的加工机械;在农用电器方面的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。所以电动机选择交流异步电动机为好,即选择YZ系列的三相异步电动机,为笼型异步电动机。 (10) 电磁阀的选择 根据设计要求选择2个双线圈电磁阀和单线个,根据电磁阀选择原则决定型号为VF3230和型号为VF3130。 综上分析,电气元件清单如表2-3所示。 表2-3 电气元件清单 项目代号 型号 名称 规格 数量 M1 YZ 三相交流异步电动机 AC380V 4KW 1410r/min 1 SB LA25-D 按钮 10 SQ LX32-4S 接近开关 AC1000V·A/380 5 SA 选择开关 1 FU RT15 熔断器 2 YV VF3230 双线 单线 控制系统的电气原理图 图2-6 电气原理图 如图2-6所示为机械手控制系统的传统输入/输出电气原理图。由表2-2分析可知,该系统共18个输入和6个输出。结合图2-3控制面板布置图和该图一起使用,先选定工作方式(自动和手动)。自动工作方式下启动后,再设置相应运行模式,即自动方式下步进操作、自动方式下连续操作。手动工作方式下启动后,只需要操作面板上相应动作的按钮即可实现所需的机械手的动作过程。另外,为了保证在紧急情况下能及时停车,设置一个急停按钮I2.1。当出现紧急情况时,按急停按钮,切断了各个动作的控制线圈回路。而此时PLC仍然可以正常工作,以保证系统的可靠性控制。当紧急情况解除后,再按一下急停按钮,线圈通电,系统又恢复正常。 2.4 程序设计 2.4.1 PLC的程序设计思想 根据控制过程要求的复杂程度的差异,可以把程序结构形式分为基本程序和模块化程序。 基本程序:既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程,又可以作为组合中的单元程序。依据计算机程序的设计思想,基本程序的结构只有三种,即顺序结构、条件分支结构和循环结构。 模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确控制任务的程序模块,分别对其编写和调试,最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种设计方法叫做哦快画程序设计。程序设计时常采用这种设计思想,因为各模块具有相对独立性,相互连接关系简单,程序易于调试修改,特别是用于复杂控制要求的生产过程。 根据机械手控制分析可以知道,在每一种工作方式下机械手的动作是按原点-下降-夹紧-上升-右移-下降-放松-上升-左移-原点这一过程来完成的,系统通过相应的限位开关来判断是否完成相应的动作,完全是按照动作先后顺序来控制机械手。因此,每种工作方式下的机械手的动作选用顺序机构控制,将各个工作方式下的控制动作模块组合在一起就实现了整个系统的控制功能。 由此可见,该控制系统的设计选用了基本程序中的顺序结构和模块化程序来编写系统软件。这样设计系统能较简便的实现系统的控制要求。 2.4.2系统的程序流程图 系统设计流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出系统流程图,才可能顺利而便捷的写出梯形图或者语句表,最终完成程序的设计。所以绘制流程图是非常关键也是程序设计首先要做的任务。根据机械手顺序的动作过程,设计出机械手动作的流程图,如图2-7所示。 图2-7机械手动作流程图 软件设计的主要任务是根据要求将系统流程图转换为梯形图,这是PLC应用最关键的问题。程序的编写是软件设计的具体表现,简单合理的流程能使系统稳定高效运行,而且便于系统软件的设计,一个良好的软件设计是软件设计者控制程序的生科理解和把握,体现了设计者丰富的软件设计技巧和方法。在控制工程的运用中,良好的软件设计更方便工程设计人员理解、掌握、调试系统与日常系统维护。 图2-8 机械手控制系统主程序 2.4.2 机械手控制系统主程序 机械手控制系统由四个部分组成,即自动方式步进控制子程序、自动方式单周期控制子程序、自动方式连续控制子程序、手动控制子程序。如图2-8所示为该机械手控制系统主程序。 为了实现机械手自动/手动方式的切换,本课题设置了一个I0.7,不对其动作时为手动操作,按下时为自动操作。自动方式子啊操作是通过按钮I1.0、I1.1、I1.2分别选择步进控制、单周期控制、连续控制。在主程序中还分别设计了上升、下降、夹紧、左移、右移的线圈,分别由子程序中相应动作的中间继电器来控制。只要这些继电器中一个有信号都能使相应的线圈带电,进而使机械手执行对应的动作。控制机械手下降操作的中间继电器有M1.1、M2.0、M2.4、M3.0、M3.4、M4.0、M4.4只要其中一个有输入信号,都会使控制下降操作的线通电,使得对应的电机推动汽缸运动,最终完成机械手的下降动作。 另外,为了保证在紧急情况下能及时停车,在主程序各个控制动作的线圈处设置了一个急停按钮I2.1,此按钮为手动复位常闭按钮。当出现紧急情况时,按急停按钮,可以切断各个动作的控制线圈回路,而此时PLC仍能正常工作,实现了对系统的可靠性控制。当紧急情况解除后,再按下急停按钮复位。线圈又通电,系统恢复正常。 2.4.3 自动方式下步进控制子程序 当选择开关拨到步进控制位置时进入步进控制子程序,完成机械手一步一步的动作。输入端I0.0为每一步的启动,由启动操作按钮来完成,I0.1为每一步的停止,由停止按钮来完成。按下I0.0,M2.0置位上电,会使主程序中的线通电进而使控制机械手下降操作的电机完成下降动作;按下I0.1会使M2.0复位失电,机械手停止下降。然后进入夹紧动作的操作,其分析痛下降操作。程序完全是按照原点-下降-夹紧-上升-右移-放松-上升-左移-原点这一过程来编写的。自动方式下步进控制子程序如图2-9所示。 图2-9自动方式下步进控制子程序 2.4.4 自动方式下单周期控制子程序 图2-10自动方式下单周期控制子程序 当选择开关拨到单周期控制位置时,进入单周期控制子程序,完机械手一个周期的连续动作。输入端I0.0为单周期的启动,每接通一次,机械手自动完成一个周期连续操作,再回到原点后自动停止。各种动作的执行都是通过内部的继电器在主程序中完成。当需呀停止操作时,按下I0.1就可以结束操作。控制子程序如图2-10所示。 2.4.5 自动方式下连续控制子程序 当选择开关拨到连续控制位置时,进入连续控制子程序,完成机械手一个周期接着一个周期循环的连续动作。输入端I0.0为连续控制的启动,I0.6为连续控制的停止输入端。当按下停止按钮后,机械手自动停止。控制子程序如图2-11所示。 图2-11自动方式下连续控制子程序 2.4.6 手动操作控制子系统 通过操作方式选择开关,将操作方式开关拨到手动方式,进入手动操作控制子程序(SBR-0)。通过6个按钮,即上升按钮、下降按钮、左移按钮、右移按钮、夹紧按钮、放松按钮,来完成对机械手手动控制。具体程序如图2-12所示,上升、下降、右移、左移、夹紧/放松6种操作由内部继电器M1.0~M1.4完成逻辑控制,通过内部继电器M1.0~M1.4在主程序中完成控制。 图2-12手动操作控制子系统 2.5 本章小结 本章完成了机械手一的PLC控制系统的设计。 首先,对搬运机械手的控制系统进行分析,得到机械手控制的基本工艺和基本的控制要求。 其次,根据基本工艺和控制要求进行PLC控制系统的硬件设计。第一步,根据I/O接口数等对PLC的选型(西门子226CPU);第二步,根据控制要求等对电气元件进行选择,得到控制系统的电气原理图。 最后,进行程序的设计。第一步,表达PLC的程序设计思想;第二步,设计出控制系统的主程序;继而分别设计出自动方式下步进控制程序、单周期控制子程序、连续控制子程序和手动操作控制子程序。 读万卷书 行万里路 第三章 机械手PLC控制系统设计(二) 3.1 系统的功能 为了实现大小球的分选控制,所设计系统必须实现以下主要功能: 1)该系统可完成大小球的自动识别,自动运送和自动到大球缸和小球缸释放对应的球。 2)该系统可以实现控制系统的多种工作方式。 3)该系统在发生故障时,选球装置必须复位。 3.2 机械手二总体结构方案 图3-1 分选大小球工作示意图 在生产过程中,经常要对流水线上的产品进行分捡。如图3-1是使用传送带将大小球分类选择的传送装置示意图。为设计一个机械手对大小球进行分选,实现将工件夹起后,通过电动机和限位开关把工件下放到指定的地方,机械手通过PLC控制,可以达到整个过程的全自动一次运行。工作顺序是向下、抓球、向上、向右运行、向下、释放、向上和向左运行至原点。抓球和释放球的时间为一秒。 如图3-1所示,当输送机处于起始位置时,上限位开关和左限位开关被压下,极限开关断开。 启动装置后,选球装置下行,一直到极限开关闭合。此时,若碰到的是大球,则压力传感器仍为断开状态;若碰到的是小球,则压力传感器为闭合状态。 吸起大球后,则分选装置向上行,碰到上限位开关后,装置向右行;若碰到右限位开关(大球的右限位开关)后,再向下行,碰到下限位开关后,将球释放到大球箱里,然后返回原位。 如果吸起的是小球,分选装置右行碰到另一个右限位开关(小球的右限位开关)后,再向下行,碰到下限位开关后,将小球释放到小球箱里,然后返回到原位。 3.3 设计分析 如图3-1所示是一气动机械手的动作示意图,其功能是将大小球经过机械手分选系统把它们分别放在大球位和小球位。机械手在最上面、最左边且电磁吸盘断电时,视系统处于原点状态(或初始状态)。手动时应设有左行、右行、上升、下降、吸合及释放六个操作按钮。系统还设有启动和急停按钮。图中,SQ为用来检测大、小球的光电开关,SQ为ON时为小球,SQ为OFF时为大球。气球机械手的升降和左右移行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,右行、左行对应的电磁阀线。机械手的夹紧松开使用单线,线圈通电时夹紧大小球,断电时松开大小球。通过设置限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别对机械手的下降、上升、左行、右行进行限位。而夹紧松开不带限位开关,它是通过延时1S来表示夹紧、松开动作的完成的。 3.4 控制要求 机械手的控制要求分为手动操作和自动操作两种方式。自动操作又分作单步、单周期和连续运行等三种。 1)手动操作。供维修用,既用按钮要求对机械手的每一种动作进行单独控制。如按下“上升”按钮,机械手上升,松“上升”按钮,停止上升。 2)单步运行。供调试用。既没按一次启动按钮,机械手按自动工作循环的步序向前执行一个动作后停止。 3)单周期运行。供首次检验用。当机械手在原位时,按下启动按钮,机械手自动执行一个周期的动作后,停止在原位。 4)自动连续运行。正常工作用。当机械手在原点并按下启动按钮时,机械手周而复始地执行各步动作。直到按下停止按钮,机械手就停止。 图3-2 机械手二操作面板示意图 根据前述控制方式,机械手的操作面板示意图如图3-2所示。机械手能实现手动、回原位、单周期和连续等五种工作方式。手动工作方式时,用各种按钮的点动实现相应的动作;回原位工作方式时,按下“回原位”按钮,则机械手自动返回原位;单步工作启动时,每按一次启动按钮,机械手向前执行一步;选择单周期的工作方式时,每按一次启动按钮,机械手只运行一个周期就停下;连续工作方式时,机械手在原位,只要按下启动按钮,机械手就会连续循环动作,直到按下停止按钮,机械手才会最后运行到原位并停下;而在传送大小球的过程中,机械手必须提高到最高位置才能左右移动,以防止机械手在较低位置运行时碰到其他大小球。 3.5 电路设计和PLC控制电路设计 3.5.1 主电路图 为了控制机械手四个方向的运动,选择了两个电机,即横移电机M1和升降电机M2。当M1正转(KM2)控制机械手右移;当M1反转(KM1)控制机械手左移。M2为升降电机,当它正转(KM4),控制机械手下降;反转(KM3),控制机械手上升。为了在短路时保护电路,在三相电流L1、L2、L3中设置了熔断器FU1,用于保护线路。另外,为了保护主回路电流不超过设定值,主电路设置了热继电器FR1和FR2,保护电机不会因为长时间过载而烧毁。主电路如图3-3所示。 图3-3 主电路图 3.5.2 PLC选型 PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上,省去插接环节,体积小,每一I/O点的平均价格比模块式的便宜,适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展,I/O点数的增减,输入和输出点数的比例,都比整体式的便宜。适用于工艺过程比较稳定、控制要求复杂的系统。在使用时,应该按实际具体情况进行选择。 综合以上几点,在设计PLC机械手在大小球分选系统中用的PLC的选型为FX2N系列的可编程控制器,FX2N系列的PLC采用一体化箱体结构,其基本单元将所有的电路,含CPU、存储器、输入输出接口及电源等都装在一个模块内,是一个完整的控制装置。这样结构紧凑,体积小巧,成本低,安装方便。FX2N系列PLCFX2N系列的基本单元的输入输出比为1:1.为了实现输入输出点数的灵活配置及功能的灵活扩展,FX2N系列PLC还配有扩展单元、扩展模块及特殊功能单元。扩展单元是用于增加I/O点数的装置,内部有电源。扩展模块用于增加I/O点数及改变I/O比例,内部无电源,用电由基本单元或扩展单元供给。因为扩展单元及模块无CPU,必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些专门用途的装置。FX2N系列PLC都是同宽同高不同长度的模块,这样几个模块拼装起来后就成了一个整齐的长方形结构。 表3-1 输入输出设备 连接的外部设备 在控制系统中的作用 连接的外部设备 在控制系统中的作用 SB0 启动按钮 SB7 手动模式上移动作 SQ1 左限位开关 SB8 手动模式下移动作 SQ2 小球右限位开关 SB9 手动模式右移动作 SQ3 上限位开关 SB2 停止按钮 SQ4 下限位开关 SB10 手动模式左移动作 SQ5 大球右限位开关 KM1 机械臂左移 SB1 循环模式开关 KM2 机械臂右移 SB3 手动模式选择开关 KM3 机械臂上移 SB4 自动模式选择开关 KM4 机械臂下移 SB5 手动模式抓球动作 KM5 抓球 SB6 手动模式放球动作 HL 原点指示 分析控制系统可知道,一共有15个输入设备和6个输出设备(表3-1所示),分别占用PLC的15个输入点和6个输出点。选用FX2N系列的PLC,根据文献[8]表6.1选用FX2N-48MR的PLC。其基本单元如表3-2所示。 表3-2 FX2N-48MR的基本单元 型号 输入点数 输出点数 扩展模块可用点数 继电器输出 晶闸管输出 晶体管输出 FX2N-48MR-001 FX2N-48MS FX2N-48MST 24 24 48-64 3.5.3 电气元件选择 (1)按钮的选择原则: ①根据使用场合,选择控制按钮的种类。 ②根据用途,选用合适的型式。 ③按控制回路的要求,确定不同的按钮数。 ④按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。 按钮的参数:一般规格为交流500V,允许持续电流为5A,红色按钮表示停止按钮,绿色按钮表示启动,为了区别按钮的颜色,按钮的选择为LA25-D,指带指示灯的按钮,额定电压为12V。 (2)行程开关的选择: 行程开关的分类:直动式,滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优点是结构简单,成本低,但容易烧蚀触头。滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点,但其结构复杂,价格也较贵,所以选择微动式行程开关,体积小,动作灵敏,适用于小型机构中使用。即型号为:LX32-4S (3)接近开关的选择: 接近开关是一种3接近开关的选择: 接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件-位移传感器,利用传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通断的目的,当有物体移向接近开关,并接近到一定距离时,位移传感器才有“感知”,开关才会动作。在设计中,接近开关PS0用于检测是否有球,SQ1-SQ5分别用于传送机械手上下运动的定位。 接近开关分为霍尔接近开关,超声波接近开关,高频振荡接近开关。其中霍尔接近开关用于检测磁场,一般用磁场钢作为被检测体。超声波接近开关适用检测不能或不可触及的目标,其控制功能不受声、电、光等因素的干扰,检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体,只要能反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几部分组成,高频振荡式接近开关用于检测各种金属,主要由高频振荡器,集成电路晶体管放大器和输出器三部分组成。 接近开关的产品种类十分丰富,常用的国产开关由LJ,3SG和LX18等。LJ5系列接近开关采用磁振荡原理,用来检测金属物体的存在。它采用国际统一的外形及安装尺寸,圆柱螺纹安装,外壳防护等级为IP65,允许周围温度范围为-25℃~-30℃。同一产品适用电压范围为AC30~200V,DC10~30V(二线型)和(三线万次以上,接近开关类型即为:LJ5A-10/330 (4)转换开关的选择: 转换开关是一种多档位,多触点,能够控制多回路的主令电器,可以用于控制小容量电动机的启动、转向、调速、正反转控制等,常用的万能转换开关有LW2、LW5、LW6、LW8等系列,在设计机械手大小球分选系统中操作方式有手动,单周期,连续。所以选LW5系列的万能转换开关比较使用。 (5)刀开关的选择: 刀开关是一种手动电器,为了简单,方便,选择HD型单投刀开关,分为1级,2级,3级,其型号为HD13B-200/3 (6)时间继电器的选择: 时间继电器在控制电路中用于时间的控制,有JS23,JS27A,JS27A,JSK,7PR,SS-18等系列的时间继电器。经过调查对比,JS27系列时间继电器是国内厂家90年代针对重电控行业特点开发的产品,适用于交流50HZ,电压至380V。直流电压至220V的电路中,控制延时通断,能在起重机工作振动和户外等工作,复合设计的要求,即时间继电器型号为JS27A (7)接触器的选择: 接触器的选型: ①根据敷在性质选择接触器类别,一般交流负载选择交流接触器,直流负载选择直流接触器。 ②根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流 ③根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。 ④根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。 根基以上所述,选择交流电磁式接触器,CJ12系列接触器适用于交流50HZ,额定工作电压至380V,额定电流至600A的电路中。拱远距离接通如分断电路及对电动机频繁进行等设备上。其型号为CJ12-600 (8)熔断器的选择: 熔断器在电路中主要起短路保护的作用,用于保护线路,熔断器具有结构简单,体积小,重量轻,使用维护方便,价格低廉,分段能力较高,限流能力良好等优点,熔断器有NT、RT、RL、FA4、RLS2等型式的熔断器,RT系列为有填封式熔断器,可在500V以下交流系统中作为过载及短路保护用,这种熔断器为螺栓连接,可以直接连在母线排上,尤其适合开关熔断器组选用,RT15熔断器最大额定电流400A,额定分段能力为100KA。 (9)电动机的选择: 电动机是选交流的,而电动机分为异步电动机和同步电动机两类,异步电动机主要用作电动机,去拖动各类生产机械。由于异步电动机具有结构简单,制造使用方便,运行可靠,成本低,效率高等优点而得到广泛的运用。例如,在工业生产中,异步电动机用于拖动中小型轧钢设备,各种金属切削机床,轻工机械和矿山机械等;在农业生产中,异步电动机用于拖动水泵,粉碎机以及其他农副产品的加工机械;在农用电器方面的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。所以电动机选择交流异步电动机为好,即选择YZ系列的三相异步电动机,为笼型异步电动机。 (10)电磁阀的选择: 电磁阀的分类:国内外的电磁阀从原理上分为三大类(直动式、分步童先导式),而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别分为六个分支小小类(直动膜片结构、分布重片结构、先导膜式结构、直东活塞结构、分步直东活塞结构、先导活塞结构)。 电磁阀的优点:耐高温电磁阀是间接先导式平衡电磁阀,具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、适用范围广等特点。 设计所选用的电磁阀为双线,单线。 综上,电气元件清单如表3-3所示。 表3-3 电气元件清单 项目代号 型号 名称 规格 数量 M1/M2 YZ 三相交流异步电动机 AC380V 4KW 1410r/min 2 SB LA25-D 按钮 11 SQ LX32-4S 接近开关 AC1000V·A/380 5 SA 选择开关 1 FU RT15 熔断器 6 KM CJ12-600 接触器 AC1000V·A/380 4 YA VF3230 电磁阀 DC12V 1 HL 指示灯 DC12V 1 FR 热继电器 2 3.5.4 PLC外部接线N系列的PLC实现控制,根据分选大小球控制系统的输入和输出地址分配情况所选定的PLC,得到PLC的外部接线 PLC的外部接线 程序设计 系统设计流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出系统流程图,才可能顺利而便捷的写出梯形图或者语句表,最终完成程序的设计。所以绘制流程图是非常关键也是程序设计首先要做的任务。 3.6.1 机械手的工作流程图 根据要求,该控制系统流程根据吸住的是大球还是小球分为两个分支,此外还有分支点,且属于选择性分支。输入脉冲信号,进入初始化状态。原点指示灯亮了之后,就进行第一个分支的选择,即手动模式和自动模式的选择。如果进入自动模式,那么就进行第二个分支的选择,即大球和小球的选择,选择好了之后又下降释放进箱内,然后再上升到上限位,再左移到左限位,回到原点,此时可以设置单循环和多循环模式。如果进入手动模式,那么就通过手动操作按钮进行每一步的动作。根据机械手顺序的动作过程,设计出机械手的工作流程图,如图3-5所示。 图3-5 机械手的工作流程图 3.6

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