基于三菱PLC的自动装配系统设计解析Word文档格式.docx
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传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点,在工业生产中应用甚广。
但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少,特别是由于它靠硬件连线构成系统,接线繁杂,当生产工艺或控制对象改变时,原有的接线刻控制盘(柜)就必须随之改变或更换,通用性和灵活性较差。
1.2.2PLC的应用概况
PLC的应用领域非常广,并在迅速扩大,对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC,尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。
按PLC的控制类型,其应用大致可分为以下几个方面:
(1)用于逻辑控制
这是PLC最基本,也是最广泛的应用方面。
用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。
例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。
(2)用于模拟量控制
PLC通过模拟量I/O模块,可实现模拟量和数字量之间转换,并对模拟量控制。
(3)用于机械加工中的数字控制
现代PLC具有很强的数据处理功能,它可以与机械加工中的数字控制(NC)及计算机控制(CNC)紧密结合,实现数字控制。
(4)用于工业机器人控制
(5)用于多层分布式控制系统
高功能的PLC具有较强的通信联通能力,可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。
从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。
1.2.3PLC的特点
PLC之所以越来越受到控制界人士的重视,是和它的优点分不开的:
(1)可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
(2)配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
(3)易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
(4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
(5)体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
2硬件系统设计
2.1装配搬运用机械手传系统装置结构
本系统用于生产线上机械手用于生产线上,将甲工件由机械手从供料站的运输到加工站再运输到装配站和乙零件装配之后再由机械手运输到分拣台的过程。
系统的主要功能由搬运机械手及直线导轨完成。
根据机系统的工艺要求及控制要求分析,直线运动传送组件、机械手传动装置如图2-1、2-2所示:
图2-1直线运动传送组件
图2-2机械手传动装置
传动组件由直线导轨底板、伺服电机及伺服放大器、同步轮、同步带、直线导轨、滑动溜板、拖链带和原点接近开关、左、右极限开关组成。
原点接近快关是一个无触点的电感式接近传感器,用来提供直线运动的起始点信号。
左、右极限开关均是有触电的微动开关,用来提供越程故障时的保护信号:
当滑动溜板在运动中越过左、右极限位置时,极限开关会动作,从而向系统发出越程故障信号。
2.2机械手的控制过程
(1)抓取机械手装置将甲工件从供料站站出料台抓取出,抓取的顺序是:
手臂伸出-->
手爪夹紧工件-->
提升台上升-->
手臂缩回。
(2)抓取动作完成后,机械手装置向加工站移动,移动速度不小于30mm/s
(3)机械手装置移动到加工站物料台的正前方后,即把甲工件放到加工站物料台上。
机械手装置在加工站放下工件的顺序是:
提升台下降-->
手爪松开-->
放下工件-->
(4)放下工件动作完成2秒后,机械手装置从加工站抓取加工好的甲工件。
抓取的顺序与供料站抓取工件的顺序相同。
(5)抓取动作完成后,机械手装置移动到装配站物料台的正前方。
然后把工件放到装配台物料台上。
其动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。
由装配系统完成甲、乙零件的装配过程。
(6)放下工件动作完成2秒后,机械手装置从装配站抓取装配好的甲、乙零件。
(7)机械手手臂缩回后,摆台逆时针旋装90度,机械手装置从装配站向分拣站运送工件,到达分拣站传送带上方入料口后把工件放下,动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。
(8)放下工件动作完成后,机械手手臂缩回,然后执行以400mm/s的速度返回原点的操作。
返回900mm后,摆台顺时针旋转90度,然后以100mm/s的速度低速返回原点停止。
2.3系统硬件组成
2.3.1步进电机(驱动器)的简介
步进电动机(steppingmotor)是把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。
在自动控制装置中作为执行元件。
每输入一个脉冲信号,步进电动机前进一步,故又称脉冲电动机。
步进电动机多用于数字式计算机的外部设备,以及打印机、绘图机和磁盘等装置。
采用步进电机驱动,机械手的位移和运动速度,可由电控系统发出脉冲信号数量及脉冲信号频率来控制。
步进电机能够达到比较高的重复定位精度。
步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成,由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。
步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。
步进电机的优点是没有累积误差,结构简单,使用维修方便,制造成本低,步进电动机带动负载惯量的能力大,适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方,缺点是效率较低,发热大,有时会“失步”。
Kinco步进电机系统具有以下特点:
(1)高性价比
(2)使用简单
(3)低振动、高转速、大力矩
(4)可靠的光耦输入
(5)自动半流功能
步进电机传动组件的技术参数如下:
根据
可以算出3S57Q-04056步进电机步距角为1.8度,即在无细分的条件下200个脉冲电击转一圈。
对于采用步进电机作为动力源的本系统,驱动器细分设置为10000步/转。
直线运动组件的同步轮距为5mm,共12齿,旋转一周搬运机械手位移60mm。
即每步机械手位移0.006mm;
电机驱动电流为5.2A;
静态锁定方式为静态半流。
步进电动机需要专门的驱动装置供电,启动装置和步进电机是一个有机的整体,步进电机的运行性能是电机及其驱动装置二者相配合所反映的综合效果。
一帮情况下,每一台步进电机都有其相对应的驱动器,例如,本文使用的Kinco三相步进电机3S57Q-04056与之配套的驱动器是Kinco3M458三相步进电机驱动器。
Kinco3M458有以下特点:
(1)采用交流伺服驱动原理,三相正弦电流输出;
(2)内部驱动直流电压高达40V;
(3)具有半动半流功能;
(4)最高可以达到10000步/转的细分;
(5)无共振和爬行去区,输出相电流可拨动开关设定,噪声低;
(6)采用光耦器件隔离,降低外部噪声干扰;
(7)电机的空载起跳平率高。
2.3.2可编程控制器的使用
可编程控制器是一种为工业机械控制所设计的专用计算机,在各种自动控制系统中有着广泛的应用,它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品,逐渐发展成为以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术,通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制,因而称为可编程程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC。
(1)PLC模块的选择
①远程I/O模块:
输入、输出装置比较分散,工作现场远离控制站。
②高速计数器模块:
当PLC内部的高速计数器的最高计数频率不能满足要求时,可选择使用。
③定位模块:
在机械设备中,保证加工精度进行定位。
④通信联网模块:
PLC与PLC之间,或PLC与计算机之间的通信与联网。
⑤模拟输入模块、输出模块:
把流量、速度、压力、风力、张力等变换成数字量,及把数字量变换成模拟量,进行输入、输出。
(2)PLC系列选择
PLC机型选择的基本原则是,在功能满足要求的前提下,选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
三菱FX系列PLC包括FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC。
各型号的PLC在性能上都有所区别。
根据工作任务,可使用步进电机或伺服电机实现驱动。
这里需指出,由于有紧急停止的要求,两者的控制过程是不同的。
使用步进电机驱动,若急停按钮按下时,机械手装置正在向某一目标移动,紧急停止将使步进电机越不,当前位置信息将丢失,因此急停复位后应采取先返回原点重新校准,在恢复原有操作的方法。
而伺服电机驱动系统本身是一闭环控制系统,急停发生时将减速停止到已发脉冲的指定为,当前位置被保存。
急停复位后就没有必要返回原点。
显然前者的控制编程较为复杂。
本文将着重介绍使用步进电机驱动时的编程方法和程序结构。
输送单元所需的I/O点较多。
其中,输入信号包括来自按钮/指示灯模块的按钮、开关等主令信号,各构件的传感器信号等;
输入信号包括输出到抓取机械手装置各电磁阀的控制信号和输出到步进电机驱动器的脉冲信号和驱动方向信号;
此外尚须考虑在需要时输出信号到按钮/指示灯模块的指示灯,以显示本单元或系统的工作状态。
由于需要输出驱动步进电机的高速脉冲,PLC应采用晶体管输出型。
基于以上考虑,选用三菱FX1N—48MTPLC,共24点输入,24点晶体管输出
(3)输出方式
PLC包括继电器输出和晶体管输出两种输出方式。
其适输出区别如下:
①负载电压、电流类型不同:
负载类型:
晶体管只能带直流负载,而继电器带交、直流负载均可。
电流:
晶体管电流0.2A-0.3A,继电器2A。
电压:
晶体管可接直流24V(继电器可以接直流24V或交流220V)。
②负载能力不同:
晶体管带负载的能力小于继电器带负载的能力,用晶体管时,有时候要加其他东西来带动大负载(如继电器,固态继电器等)。
晶体管过载能力小于继电器过载的能力:
一般来说,存在冲击电流较大的情况时,晶体管过载能力较小,需要降额更多。
晶体管响应速度快于继电器:
继电器输出型原理是CPU驱动继电器线圈,令触点吸合,使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载,其开路漏电流为零,响应时间慢(约10ms),主要控制开关量。
晶体管输出型原理是CPU通过光耦合使晶体管通断,以控制外部直流负载,响应时间快(约0.2ms甚至更小)。
晶体管输出一般用于高速输出,如伺服/步进等,用于动作频率高的输出。
额定工作情况下,继电器有动作次数寿命,晶体管只有老化没有使用次数限制。
继电器是机械元件所以有动作寿命,晶体管是电子元件,只有老化,没有使用次数限制。
继电器的每分钟开关次数也是有限制的,而晶体管则没有。
2.3.2气动控制回路
气动控制阀是指在气动系统中控制气流的压力、流量和流动方向,并保证气动执行元件或机构正常工作的各类气动元件。
气动控制阀的结构可分解成阀体(包含阀座和阀孔等)和阀心两部分,根据两者的相对位置,有常闭型和常开型两种。
阀从结构上可以分为:
截止式、滑柱式和滑板式三类阀。
气动控制阀和液压阀的比较:
(1)使用的能源不同
气动元件和装置可采用空压站集中供气的方法,根据使用要求和控制点的不同来调节各自减压阀的工作压力。
液压阀都设有回油管路,便于油箱收集用过的液压油。
气动控制阀可以通过排气口直接把压缩空气向大气排放。
(2)对泄漏的要求不同
液压阀对向外的泄漏要求严格,而对元件内部的少量泄漏却是允许的。
对气动控制阀来说,除间隙密封的阀外,原则上不允许内部泄漏。
气动阀的内部泄漏有导致事故的危险。
对气动管道来说,允许有少许泄漏;
而液压管道的泄漏将造成系统压力下降和对环境的污染。
(3)对润滑的要求不同
液压系统的工作介质为液压油,液压阀不存在对润滑的要求;
气动系统的工作介质为空气,空气无润滑性,因此许多气动阀需要油雾润滑。
阀的零件应选择不易受水腐蚀的材料,或者采取必要的防锈措施。
(4)压力范围不同
气动阀的工作压力范围比液压阀低。
气动阀的工作压力通常为10bar以内,少数可达到40bar以内。
但液压阀的工作压力都很高(通常在50Mpa以内)。
若气动阀在超过最高容许压力下使用。
往往会发生严重事故。
(5)使用特点不同
一般气动阀比液压阀结构紧凑、重量轻,易于集成安装,阀的工作频率高、使用寿命长。
气动阀正向低功率、小型化方向发展,已出现功率只有0.5W的低功率电磁阀。
可与微机和PLC可编程控制器直接连接,也可与电子器件一起安装在印刷线路板上,通过标准板接通气电回路,省却了大量配线,适用于气动工业机械手、复杂的生产制造装配线等场合。
本系统的气动控制回路中,驱动摆动气缸的气动手指气缸的电磁阀采用的是二位五通双电控电磁阀。
双电控电磁阀与单电控电磁阀的区别在于,对于单电控电磁阀,在无电控信号时,阀芯在弹簧力的作用下会被复位,而对于双电控电磁阀,在两端都无电控信号时,阀芯的位置是取决于前一个电控信号。
气动控制回路原理图如图2-3所示。
图2-3气动控制回路原理图
3软件系统设计
3.1PLC选择及I/O口分配
3.1.1PLC控制系统设计的基本原则
(1)满足被控对象的控制要求考虑将来发展的需要,PLC选用功能较强的新产品,并留有适当的余量。
(2)系统安全、可靠。
(3)尽可能简单、经济、使用与维修方便。
(4)具有高的性能价格比。
3.1.2PLC控制系统设计步骤
(1)分析被控对象,提出控制要求。
(2)确定输入、输出设备。
(3)确定PLC的I/O点数,选择PLC机型。
(4)分配I/O点数,绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。
(5)程序设计,绘制工作循环图或状态转移图。
(6)程序调试。
先进行模拟调试,再进行现场联机调试;
先进行局部、分段调试,再进行整体、系统调试。
(7)调试过程结束,整理技术资料,投入使用。
3.1.3I/O口分配原则
本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。
(1)PLC的输入端口包括工作按钮、上升、下降按钮、总停按钮、小车前进、速度、工件到位等。
(2)PLC的输出端口包括运行指示灯、继电器、外部接口、伺服电机接口等。
PLC输入、输出分配表如表3-1、表3-2所示。
3.1.4I/O口分配表
此方案对超程保护所使用的行程开关合运动方向指示灯,独立分配I/O。
优点:
(1)独立控制,互不干扰。
(2)程序简单,无需添置编码、解码张芯片及其抗干扰设施。
(3)良好的稳定性。
(4)预留足够的I/O点数,大于10~20%。
方便以后的扩展升级。
表3-1I/O分配输入端一览表
输入
功能(设备)
X000
原点传感器检测
X014
X001
右限位保护
X015
X002
左限位保护
X016
X003
机械手抬升下限检测
X017
X004
机械手抬升上限检测
X020
X005
机械手旋转左限检测
X021
X006
机械手旋转右限检测
X022
X007
机械手伸出检测
X023
X010
机械手缩回检测
X024
启动按钮
X011
机械手夹紧检测
X025
复位按钮
X012
X026
即停按钮
X013
X027
方式按钮
表3-2I/O分配输出端一览表
输出
Y000
脉冲
Y014
Y001
Y015
报警指示
Y002
方向
Y016
运行指示
Y003
提升台上升电磁阀
Y017
停止指示
Y004
回转气缸左旋电磁阀
Y020
Y005
回转气缸右旋电磁阀
Y021
Y006
手爪伸出电磁阀
Y022
Y007
手爪夹紧电磁阀
Y023
Y010
手爪放松电磁阀
Y024
Y011
Y025
Y012
Y026
Y013
Y027
3.2主程序编写的思想
从工作任务可以看到,输送单元传送工件的过程是一个步进顺序控制的过程,包括两个方面,一是步进电机驱动抓取机械手的定位控制,二是机械手到各工作单元物料台上抓取或放下工件,其中前者是关键。
本程序采用FX1N绝对位置控制指令来定位。
因此需要知道各工位的绝对位置脉冲数。
若步进驱动器的细分设置为10000步/转,数据如表3-3所示。
表3-3步进电机运行的运动位置
序号
站点
脉冲量
移动方向
低速回零
1
零位-->
供料站22mm
3667
2
供料站-->
加工站430mm
71667
DIR
3
装配站780mm
130000
4
分拣站1040mm
173333
传送工件的顺控过程是否进行,取决于系统是否在运行状态、急停按钮是否正常以及急停复位后的处理是否结束。
为此,须建立一个主控过程允许执行的标志M20,只有当M20被置位时,才能运行步进顺控过程
由此可见,系统主程序应包括上位电初始化、复位过程(子程序)、准备就绪后投入运行、检查及处理急停等阶段,最后判断M20是否为ON。
在主程序清单中,先后调用初态检查子程序P1和急停处理子程序P2,前者的功能是检查系统上电后是否在初始状态,如不在初始状态则运行复位操作。
后者的功能是:
当系统进入运行状态后,检查急停按钮是否按下和进行急停复位的处理,以确定M20的状态。
在紧急停止状态或系统正处于急停复位后的处理的过程,M20OFF,这时主控过程不能进行。
仅当急停按钮没有按下或急停复位后的出力已经完成,M20ON,启动一个主控快,块中的传送工件顺控过程可以执行。
传送工件过程是一个单序列的步进数控过程。
传送功能流程图如图3-1所示。
图3-1传动功能过程及流程说明
其中图3-1中的第S11、S15、S20、S22步都是步进电机驱动机械手运动的过程,以S15步为例,梯形图如图3-2所示。
图3-2机械手从加工单元移动到装配单元梯形图
程序中使用绝对位置控制指令驱动步进电机运动,指定目标位置为+130000脉冲(装配单元对原点的坐标,见表4-1),运行速度为60KHz。
指令执行前的当前位置(加工单元加工台中心线)为71667脉冲。
指令执行时,自动计算出输出的脉冲数(13000-71667=58333)为正值,故旋转方向信号输出Y002ON,步进电机应为反向旋转。
因此,在安装和调试步进电机是应予以注意。
3.3初态检查复位子程序和回原点子程序
系统上电且按下复位按钮后,就调用初态检查复位子程序,进入初始状态检查和复位操作阶段,目标是确定系统是否准备就绪,若未准备就绪,则系统不能启动进入运行状态。
该子程序的内容是检查各气动执行元件是否处在初始位置,抓取机械手装
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