物料搬运机械手系统
PLC 编程设计
课程名称：可编程控制器原理及应用 任课教师：冯治国老师 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 来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀(称为夹紧电磁阀>控制。
成绩
图1 简易物料搬运机械手
(二)设计概述
PLC控制系统的设计包括3个重要的环节，其一是通过控制任务的分析，
确定控制系统的总体设计方案；其二是根据控制要求确定硬件构成方案；其三
是设计出满足控制要求的应用程序。
二、对设计任务的深入调查研究
(一)机械手的工作方式
此系统需要具备多种工作方式，如既能自动的循环运行一个过程，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结束，再按一次操作按钮则开始下一个周期的运行。
2.连续方式
启动后机械手反复运行上述每个周期的动作过程，即周期性连续运行。
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，必须再按一次操作按钮等。
以上三种工作方式属于自动控制方式。
4.手动方式
按下按钮则机械手开始一个动作，松开按钮则停止该动作。
(二)对机械手每工作步的控制要求
1.上升和下降
机械手上升和下降的动作都要到位，否则不能进行下一个工作步。本题使用上下限位开关进行控制，上升和下降的动作用一个双线圈的电磁阀控制。
2.放松和夹紧
机械手夹紧和放松的动作必须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可靠性，本例对夹紧和放松动作进行定时，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控制。
3.左行和右行
自动方式时，机械手的左、右运动必须在压动上限位开关后才能进行；机械手的左/右运动都必须到位，以确保在左工位取到工件并在右工位放下工件。本题利用上限位开关、左限位开关和右限位开关进行控制。左/右行的动作由双线圈的电磁阀控制。
(三)机械手工作流程
1.对于手动控制方式
按照点动的方式进行,手动控制按钮有"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,机械手分别执行机械手臂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,用以选择系统的控制方式,按下时为自动控制方式,未按下时为手动控制方式。
2.对于自动控制方式
按照时间推移具体动作顺序如下:
(1>等待接收工件到位信号。
(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>松开工件,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,松开工件。
(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
在本文中用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。
(四)机械手实现功能
基于上述的控制耍求,本机械手控制系统实现下述功能:
机械手按手动和自动两种方式动作:设计要求机械手可以通过手动和自动两种方式实现控制功能,在手动方式下,用点动的方式进行机械手的移动控制,对应
的控制按钮在控制面板之上。在自动方式下,机械手根据编制的自动控制程序实现自动运行,完成工件的抓取。
三、确定系统整体设计方案
在进行程序的设计之前,先设计出应用程序的总体方案如图2,图中把整个程序分成两大块,即手动和自动两部分。
图2系统整体设计方案
四、确定输入/输出元件，选择PLC机型
本设计采用的PLC是三菱公司的FX2N系列。
PLC的硬件结构主要由CPU、存储器、I/O接口电路、通信接口、扩展接口和电源等部分组成。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,基本结构如图3所示。
图3 PLC基本结构
五、确定PLC的I/O分配
输入方面分为手动控制和自动控制。按照机械手的控制要求,系统需要以下输入点,具体分配为: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、工作结束。系统需要输出点具体分配为:X脉冲输出、Y脉冲输出、X方向控制、Y方向控制、启动准备、伺服X报警、伺服Y报警、Z轴上升、Z轴下降、夹紧、工作启动、工作结束、机械手等待。
I/O分配如表1所示：
表1 I/O分配
