自动搬运机械手的PLC控制系统的设计.docx
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自动搬运机械手的PLC控制系统的设计
摘要
随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大,搬运机械手的应用也逐渐普及,主要在汽车,电子,机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运,可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率,以降低其他搬运方式的限制和不足,满足现代经济发展的要求。
本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作,两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转,从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动;其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1---SQ9)产生的通断信号传输到PLC控制器,通过PLC内部程序输出不同的信号,从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作,可实现机械手的精确定位;其动作过程包括:
下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退;其操作方式包括:
回原位、手动、单步、单周期、连续;来满足生产中的各种操作要求。
目录
第1章前言
1.1设计优点4
1.2设计的一般步骤4第2章机械手设计简介
2.1设备的控制要求5
2.2装置简介6
第3章搬运机械手硬件系统设计
3.1机械手的结构8
3.2电气控制的设计8
3.3操作面板及动作说明9
第4章机械手的PLC控制
4.1控制特点10
4.2系统控制示意图10
4.3输入和输出点分配表及原理接线图11
4.4操作系统12
4.5回原位程序12
4.6手动单步操作程序13
4.7自动操作程序14
4.8机械臂传送系统梯形图15
4.9指令语句表17
第1章前言
机械手是工业生产中常用的机械设备,是现代企业和建筑工地不可缺少的运输工具,它的动作由相应的控制系统控制,如采用传统的继电接触控制,由于机械触点多,接线复杂,因而控制装置体积很大,并且故障率高,可靠性差,动作精确度低。
而可编程控制器是以中央处理器为核心,综合了计算机和自动控制等先进技术,具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点,已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
它的使用大大降低了工人的劳动强度,提高了工作效率。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位非常重要!
本设计主要研究内容:
要求有两种工作方式:
点动和自动操作;点动操作时,用按钮单独操作机械上升或下降,右移或左移,夹紧或放松;自动操作时,按下起动按钮,机械从“原点”开始工作,自动完成一个工作循环过程,即将工件夹紧后,从A点移动到B点放下工件,然后返回“原点”等待下一次操作。
1.1设计的优点
用可编程控制器,具有投资省、见效快的特点。
因为使用PLC控制机床电气系统后,可去掉了机械手的中间继电器、时间继电器、顺序控制二极管及电阻,使线路简化。
同时,由于PLC的高可靠性,输入/输出部分还具有信号指示,这不仅使电气故障次数大大减少,而且还能给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。
论文从PLC选型开始介绍,并按照设计的全过程逐次的介绍了系统资源配置、控制系统程序设计集调试的方法、自动操作系统流程图、总程序结构框图、源程序、程序清单、梯形图、电气原理图。
1.2设计的一般步骤
(1)先要全面的了解被控对象的机构、运行过程等,并明确动作逻辑关系;
根据系统的功能要求选择PLC的型号及各种附加的配置,并有规则,有目的分配输入输出点;
(2)根据控制及流程要求,对应输入输出开发相应的应用程序;同时连接PLC与外部设备的连线;
(3)将编制完成的程序写入PLC中,模拟工况运行,进行调试及修改;在模拟成功后,接入现场实际控制系统中进行再次调试,直至完全通过为止。
第2章机械手设计简介
每设计都要分析被控对象并提出控制要求:
1.详细分析被控对象的工艺过程及工作特点,了解被控对象机、电、液之间的配合,提出被控对象对PLC控制系统的控制要求,确定控制方案,拟定设计任务书。
确定输入/输出设备
2.根据系统的控制要求,确定系统所需的全部输入设备(如:
按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等)和输出设备(如:
接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等),从而确定与PLC有关的输入/输出设备,以确定PLC的I/O点数。
2.1设备的控制要求
设备应具有“正常运转”和“强制停止”。
控制系统设有手动、单周期、单步和连续4种工作方式,机械手在最上面和左边且放松时,成为系统处于原点状态或初始状态。
机械手自动控制顺序功能图见图2-1,机械手的运动过程主要有八个动作即为:
原点→下降→夹紧→上升→右移
↑↓
左移←上升←放松←下降
图2-1机械手的自动控制顺序功能
手动操作时由按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制,在单步操作方式下,从初始步开始,按下启动按钮X0后,系统转换到下一步,完成该步的任务后,自动停止工作并在该步,再按一下启动按钮,又往前走一步。
如选择单周期工作方式,按下启动按钮后,从初始步开始,机械手按顺序功能图(见图2-2)的规定完成一个周期的工作后,返回并停留在初始步。
原点→下降→夹紧→上升→右移
↓
左移←上升←放松←下降
图2-2机械手的单周期控制顺序功能
选择连续工作方式时,在初始状态按下启动按钮后机械手从初始步开始一个周期一个周期地反复连续工作,按下停止按钮,并不马上停止工作,完成最后一个周期的工作后,系统才返回并停留在初始步。
在选择单周期、连续和单步工作方式之前,系统应处于原点状态。
如不满足这一条件,可选择原点工作方式,然后按回原点启动按钮,使系统自动返回原点状态。
在连续工作方式下设置两种停车状态:
正常停车:
在正常工作状态下的停车。
按下停车按钮,机械手完成最后一个周期的工作后,返回原点自动停车。
紧急停车:
在发生故障或紧急状态时的停车。
按下紧急停车按钮,机械手停止在当前执行状态。
当故障排除后,需手动回原点。
2.2装置简介
参照图1机械手结构图,机械手在连续工作方式下,机械手按下述顺序周而复始地搬物:
(如图2-3)
1)原位状态下(机械手在左、上限位置),按启动按钮,机械手开始下降。
2)下降到下限位行程开关动作,下降结束,机械手开始夹紧。
3)机械手夹紧工件,直到计时器计时时间到,上升运动开始。
4)上升到上限行程开关受压动作,上升运动结束,机械手开始右移。
5)右移到右限行程开关受压动作,右移运动结束,等待工件检测信号。
6)待无工件信号到来,机械手开始下降。
7)下降到下限行程开关受压动作,下降运动结束,机械手开始放松。
8)机械手放松工件,直到计时器计时时间到,上升运动开始。
9)上升到上限行程开关受压动作,上升运动结束,机械手开始左移。
左移到左限行程开关受压动作,左限运动结束,机械手回到原始状态,一个工作循环完毕。
图2-3机械手工作循环过程图
机械手的上升和下降、左行和右行由不同继电器来控制不同电机的正反转来实现,夹紧和放松由二位四通的电磁阀控制的。
气缸采用QGB—Q系列,属自保持式双电控阀气缸,工作压力为0.15~0.8Mpa,其电磁换向阀有记忆功能,当切断电信号时,阀位不变,气缸活塞位置保持不变,系统不受突然断电的干扰。
图2-4为机械手示意图,机械手的任务是将A工作台上的工件搬到B工作台
图2-4机械手结构图
第三章搬运机械手硬件系统设计
硬件系统设计包括机械部分和电气控制部分的设计。
3.1机械手的结构
设计其结构如图3—1所示
图3—1机械手的结构示意图
图中设置9个行程开关SQ1—SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态,并对系统实施控制。
其中SQ1为工件是否到位的检测开关;SQ2为小车原位检测开关;SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关;SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关;SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关;SQ9为小车运动停止开关。
3.2电气控制的设计
包括主电路和控制电路的设计。
主电路由两台电动机,即慢速电机和快速电机,分别拖动小车慢行和快行,其控制如下:
慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正传和反转;快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。
机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的,在通电情况下,机械手松开,得电时松开,可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开,工件脱落的情况发生。
3.3操作面板及动作说明
根据控制和生产工艺的要求,控制操作包括手动和自动,手动又包括手动步进、回原位操作,自动控制包括单步、单周期、连续的操作。
故操作方式选择开关设置有五个档位。
手动工作方式下,手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位,故设置六个动作看官按钮。
各个动作进行的同时均设有动作指示灯。
另外设有启动停止按钮。
其操作面板如图3—2所示:
图3—2机械手操作面板示意图
第4章机械手的PLC控制
4.1控制特点
机械臂电气控制系统,除了有多工步特点之外,还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。
当旋钮打向回原点时,系统自动地回到左上角位置待命。
当旋钮打向自动时,系统自动完成各工步操作,且循环动作。
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。
以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。
4.2系统控制示意图
机械臂传送工件系统示意图,如图1所示。
图1机械臂传送示意及操作面板图
4.3输入和输出点分配表及原理接线图
表1机械臂传送系统输入和输出点分配表
名称
代号
输入
名称
代号
输入
名称
代号
输出
启动
SB1
X0
夹紧
SB5
X10
电磁阀下降
YV1
Y0
下限行程
SQ1
X1
放松
SB6
X11
电磁阀夹紧
YV2
Y1
上限行程
SQ2
X2
单步上升
SB7
X12
电磁阀上升
YV3
Y2
右限行程
SQ3
X3
单步下降
SB8
X13
电磁阀右行
YV4
Y3
左限行程
SQ4
X4
单步左移
SB9
X14
电磁阀左行
YV5
Y4
停止
SB2
X5
单步右移
SB10
X15
原点指示
EL
Y5
手动操作
SB3
X6
回原点
SB11
X16
连续操作
SB4
X7
工件检测
SQ5
X17
4.4操作系统
操作系统包括回原点程序,手动单步操作程序和自动连续操作程序,如图3所示。
其原理是:
把旋钮置于回原点,X16接通,系统自动回原点,Y5驱动指示灯亮。
再把旋钮置于手动,则X6接通,其常闭触头打开,程序不跳转(CJ为一跳转指令,如果CJ驱动,则跳到指针P所指P0处),执行手动程序。
之后,由于X7常闭触点,当执行CJ指令时,跳转到P1所指的结束位置。
如果旋钮置于自动位置,(既X6常闭闭合、X7常闭打开)则程序执行时跳过手动程序,直接执行自动程序。
4.5回原位程序
回原位程序如图4所示。
用S10~S12作回零操作元件。
应注意,当用S10~S19作回零操作时,在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。
4.6手动单步操作程序
如图5所示。
图中上升/下降,左移/右移都有联锁和限位保护。
4.7自动操作程序
自动操作状态转移见图6所示。
当机械臂处于原位时,按启动X0接通,状态转移到S20,驱动下降Y0,当到达下限位使行程开关X1接通,状态转移到S21,而S20自动复位。
S21驱动Y1置位,延时1秒,以使电磁力达到最大夹紧力。
当T0接通,状态转移到S22,驱动Y2上升,当上升到达最高位,X2接通,状态转移到S23。
S23驱动Y3右移。
移到最右位,X3接通,状态转移到S24下降。
下降到最低位,X1接通,电磁铁放松。
为了使电磁力完全失掉,延时1秒。
延时时间到,T1接通,状态转移到S26上升。
上升到最高位,X2接通,状态转移到S27左移。
左移到最左位,使X4接通,返回初始状态,再开始第二次循环动作。
在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次,但它驱动的线圈,却可以使用多次,但两者不能出现在连续位置上。
因此步进顺控的编程,比起用基本指令编程较为容易,可读性较强。
4.8机械臂传送系统梯形图
如图7所示。
图中从第0行到第27行为回原位状态程序。
从第28行到第66行,为手动单步操作程序。
从第67行到第129行为自动操作程序。
这三部分程序(又称为模块)是图3的操作系统运行的。
回原位程序和自动操作程序。
是用步进顺控方式编程。
在各步进顺控末行,都以RET结束本步进顺控程序块。
但两者又有不同。
回原位程序不能自动返回初始态S1。
而自动操作程序能自动返回初态S2。
4.9指令语句表
总结
搬运机械手的PLC控制课程设计是机电课程当中一个重要环节通过了毕业设计使我对机械设计过程有进一步了解,对机电产品的有关的控制知识有了深刻的认识。
因为理论知识学的不牢固,在设计遇到了不少问题,如:
遗忘以前学过的专业基础知识。
通过理论与实际的结合,进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力,以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。
运用学习成果,把理论运用于实际,使理论得以提升,形成创新思想。
通过此次设计过程,巩固了专业基础知识,培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力,在设计的过程中还培养出了我们的团队精神,为今后的学习和工作过程打下基础。
参考文献
[1]郁汉琪、郭建主编.可变程序控制器原理及应用.北京:
中国电力出版社,2005
[2]杨峰.SMR搬运机械手的PLC控制系统设计.机车车辆工艺,1998年第6期:
36-40
[3]邓星钟主编.机电传动控制。
武汉:
华中科技大学出版社,2001
[4]言纪兰.懂峰.基于PLC控制的搬运机械手的应用.机械工程与自动化,2008年4月第2期:
156-158
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