机械手PLC控制系统的设计.pdf
机械手P L C 控制系统的设计黄伟1，胡青龙2(1 江苏农林职业技术学院信息工程系。江苏句客2 1 2 4 0 0；2 江苏沙钢集团有限公司，江苏张家港2 1 5 6 2 5)【l 圜霸飘黪骊嘲秽”、p。一n d 铝彬歹匿摘要：介绍繁机械手的工作过程，采用三菱F X 2 1 q 系列可编程序控制器实现对机械手工作过程的控制，给出了系统的工作过程示i蘸意瞄、顺序功能图、梯形图、啪分配系统采取了相应的保护措施。，i錾关毽谲：机械手；P L C；控制。鐾i 帼蜮昏聊3 始糊孙A 婶特：舢一9 4 9 2 仁0 0 8 卜删埘么；，翻，“黝滥蝴磁豳幽誓口1 概述工业机械手(以下简称机械手)是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地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。因而，机械手受到各先进工业国家的重视，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、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。该技术在我国近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业企业的重视I t 。但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一。不能进行在线管理。2 工艺顺序及控制要求【2】图l 是机械手机构示意图，其任务是将传送带A 上的物品搬送至传送带B 上。该机械手控制系统是由机械手装置和两条传送带以及光电检测开关三部分组成。该机械手控制系统要求控制系统具有手动和自动两种工作方式，设备在调试或出现故障时，可通过手动方式实现单步动作或调整设备到原始状态工作位置。机械手是一种典型的顺序控制方式如图2 所示，在机电设备和生产线中应用广泛。收稿日期：2 0 0 8 0 3 2 0图1机械手机构示意图匕令传送带B原位+下降-抓紧吐升+右移L 左移E 升-放一卞匕图2机械手工作过程示意图2 1 控制要求1)在传输带A 端部安装了光电开关P s，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为O N 状态。2)机械手在原位时，按下启动按钮，系统起动，传送带A 运转。当光电开关检测到物品后，传送带A 停止传送。3)传送带A 停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A 上搬到传送带B(连续运转)上。4)机械手返回原位后。自动再起动传送带A 运转，进行下一个循环。5)按下停止按钮后，应等到整个循环完成后。才能 万方数据使机械手返回原位，停止工作。6)机械手的上升下降和左移右移的执行机构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。7)抓紧放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作。线圈断电时执行放松动作。8)机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。9)抓紧动作由压力继电器控制。当抓紧时，压力继电器动合触点闭合；放松动作为时间控制(设为2 s)。3 机械手P L C 控制系统的实现根据工艺要求及控制需要，对I 0 做如下分配：3 1 输入端启动停止按钮：2 点；用于位置控制的极限开关：4点；抓紧压力继电器触点：1 点；用于检测有无工件的光电开关：l 点；电动机热保护：2 点；手动控制与自动控制转换开关：l 点；手动控制按钮：5 点；紧急处理按钮：1 点；以上输入共计1 7 点。3。2 输出端执行电磁阀工作：5 点；3 台电动机运行控制：3 点；以上输出共计8 点。考虑到输入输出点数的备用余量，结合F X 2 N 系列可编程序控制器型号的特点，本文介绍的机械手为某工厂的搬运装置，根据现场状况、控制要求、输入输出的信号，选用三菱F X 2 N 系列的F X 2 N-4 8 M R 可编程序控制器构成控制系统实现对机械手的控制 3 3。图3 所示为机械手控制系统的F X 2 N-4 8 M R 的L 0 接线图。4F X 2 N-4 8 M R 简介P L C 是可编程序控制器(P r o g r a m m a b l eC o n t r o l l e r)的简称。P L C 是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。自从P L C 在汽车装配生产线上的首次成功利用以来，P L c 在多品种、小批量、高质量的生产设备中得到了广泛的应用，P L C 控制已经成为工业控制的霞要手段之一。F X 2 N 系列可编程序控制器适用于普通的工业环境，具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性，对工作电源没有特殊要求。F X 2 N 系列P L C 是超小型机，I O 点数最大可扩展到2 5 6 点。它有内置8 k B 的R A M，使用存储卡盒后，最大容量可扩大到1 6 k B。编程指令达3 2 7 条。P L C运行时，对一条基本指令的处理时间只要0 0 8 p,s。它不仅能完成逻辑控制、顺序控制、模拟量控制、位置控制、高速计数等功能，还能做数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算、P I D 运算等更为复杂的数据处理。所以F x 2 N 系列P L c 具有容量大、运行速度快、指令功能完善等特点(】。可见F X 2 N 系列F X 2 N-4 8 M R 可编手动鹾萨鲤瑚铲垆X l一严X 2Y O一产】(3卜一产x Y 1l n 舳一产)【5钛寻一一产)(6Y 2垆x 7社s，X 1 0Y 3垆X l lP L Cc 0 州卜腿lX 1 2Y 4声X 1 3卜声x 1 4Y 5二芦X l，卜垆X i 6Y 6垆X 1 71 1 8B I B妒zX 尽旷Y 7C O M图3I O 接线图程序控制器能够满足控制要求。4 1 元件的选择控制系统元件如表1 所示。表1选择的元件序号代号名称型号数量备注lS 即启动按钮L A l o-2 K1绿色2S B l停l 按钮L I o-2 Kl红色3S 转换开关I t Z l 0-2 5l绿色4S 眈紧急处理按钮L 1 0-2 Kl红色5P S光电开关V F-M 1 0l绿色6S Q 卜S Q 5限位开关L X l 9-1 1 15绿色7F I I热继电器J x 0 2 0 3 D2绿色8S B 3-S B 7手动按钮L l o _ 盟5绿色9T I-1 8双向可控硅l【S 1 0 A82 2 0 V A C1 0埘l 朋7 岫接触器c J l o-2 032 2 0 V A Cl lI a 心一舢接触器C J l 0-1 052 2 0 V A C4 2 系统的程序框图根据系统的控制要求绘出控制程序结构框图，如图4所示。4 3 系统的顺序功能图根据机械手的工作过程及其工艺要求，画出以下系统顺序功能图，如图5 所示。4 4 系统的梯形图【5】根据机械手控制系统的顺序功能图编写出系统的梯形图，图6 为系统的初始化程序(紧急处理程序)，图7 万方数据图4机械手控制程序结构框图图5系统的顺序功能图为系统的手动程序，图8 为系统的自动程序，图9 为系统程序的结构框图。5 系统的可靠性设计及输出线路本控制系统控制3 台电动机工作的输出点由4 个需要c J l O 一2 0 交流接触器和控制机械手工作的输出点由5 个需要c J l 0 1 0 交流接触器作为执行元件。交流接触器c J l 0 2 0 的工作功率是9 W，线圈吸持功率是2 2 V A，瞬间吸合功率是1 4 0 V A。交流接触器C J l 0 1 0 的工作功率是5 W，线圈吸持功率是1 1 V A，瞬间吸合功率是6 5 V At S 。F X 2 N 4 8 M R 为继电器输出型式，每一个输出点的感性负载最大为8 0 V A，因此不能直接驱动控制电动机运行的较大功率的交流接触器的执行元件。一般是采用小型中间继电器作为电流放大元件，其触点电流可以达到5 A，再由小型中间继电器去驱动控制电动机运行的较大功率的交流接触器等执行元件。型塑l K O I Y O I K 8黼l K O I S 2 0 K 1 0眦1 6l x o S Ol K I F M O VK 0lI图6系统的初始化程序(紧急处理)图7系统的手动程序可编程程序控制器(P L C)的可靠性极高。因此系统的可靠性主要取决于外部元器件的可靠性，也就是小型中间继电器的可靠性。因为可编程序控制器是采取扫描刷新的方式工作的，不停的输出控制机械手工作的命令，因此小型中间继电器处于频繁动作中。其触点在频繁动作过程中会发生毛损，从而使小型中间继电器产生故障，影响控制系统的可靠性。而双向可控硅通过触发电路可以频繁启动，可靠性极高。利用双向可控硅代替中间继电器工作提高了机械手控制系统的可靠性。万方数据的自动程序图9系统程序的结构框图5 1 双向可控硅开关原理图E 3 图1 0 是双向可控硅的等效图。有两个主电路极T l 和T 2，一个门极，因此第和第象限的伏安特性对原点对称。其触发方式有4 种：1)触发方式I+：1 2 接负，T 1 接正，加正门极电流；2)触发方式I 一：1 2 接负，T 1 接正，加负门极电流；3)触发方式+：1 2 接正，T 1 接负，加正门极电流；4)触发方式一：他接正，T l 接负，加正门极电流。根据双向可控硅的特性，需要主电路导通时采用过零触发，其导通，断开触发信号，在反向电压时，主电路关断，实现了开关功能。四种触发方式的灵敏度各不相同，般是I+I一+，使用其开关特性，基本不要考虑触发方式的灵敏度。双向可控硅实现开关功能的原理图如图1 l 所示。当上述电路接上交流电源时，如果继电器触点K A 闭合，双向可控硅正半周和负半周全能够导通，接触器可以得到交流信号，接触器G 杠。T l图1 0双向可控硅等效图TK M图1 1双向可控硅开关原理动作；如果继电器触点K A 断开，双向可控硅正好处于导通状态时，则继续导通，由于交流信号周期性换向，双向可控硅即关断，如果交流信号再换向，因为继电器触点K A 断开，没有触发信号，双向可控硅不能导通，接触器就没有交流信号，接触器释放。控制继电器触点K A 闭合和断开，就实现了主电路的通断功能。5 2 双向可控硅控制大功率负载电路可编程序控制器的输出触点控制双向可控硅的门极。即实现了开关功能如图1 2 所示。选择K S l O A 的双向可控硅构成电路，该可控硅元件的额定通态电流为1 0 A，足以驱动C J l 0 2 0 交流接触器，而c o M2 2 0 vA C图1 2双向可控硅输出电路 万方数据其需要的门极出发电流1 0 0 m A，也就是可编程序控制器输出触点的电流很小。可靠性大大提高。同时双向可控硅元件体积小、安装方便、外行美观，而且无触点、可靠性高、使用寿命长 3 1。一般情形下。双向可控硅应当需要保护电路。由于双向可控硅的额定通态电流较小。电路电压不是很高，可以不必添加保护电路。保护电路如果不完善，可能也是故障点。6 结束语采用可编程序控制器对机械手的控制系统进行控制，通过联机调试，系统运行可靠，降低了机械手控制系统的故障率。投入使用后，运行良好，值得推广。参考文献：1】张挂香，等机电类专业毕业设计指南 M】北京：机械工(上接第8 4 页)墨示子程舯I s P：埘空捌子程序业出版社2 0 0 5 2】胡学林可缡程控制器应用技术(第2 版)【M】北京：高等教育出版社。2 0 0 5【3 黄伟基于可缡程序控制器磁选除铁机控制系统的设计 J】电气自动化，2 0 0 叮，2 9(6)：3 2 3 3 4】吴启红变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实探指导书【M 北京：机械工业出版社。2 0 0 7 5】陈立定，等电气控制与可鳊程序控制器的原理及应用【M 北京：机械工业出版社，2 0 0 4 6 赵秉衡工厂电气控制设备 M】北京：冶金工业出版社。2 0 0】第一作者简介：黄伟，男。1 9 6 2 年生，江苏镇江人，大学本科，高级工程师。研究领域：工业控制系统的设计开发。已发表论文9 篇。(编辑：向飞)t 1 服务程序：I 硼m 霈舭lIP 朋输出繁止，P z o，1 3 2 1IP 2 2 咒3 送低电平图7数码管显示子程序流程图图8P W M 输出子程序流程图方式，由定时器哟设定P W M 的频率，由定时器T l 控制P 2 口对应位的输出高电平时间，这个时间由P I D 子程序模块q 计算后得出；在按键输入操作时P W M 不输出。程序流程如图8 所示。5 结论实现P W M 的方法很多，文中给出利用M C s 5 l 单片机实现直流电机转速控制的P W M 调制控制方法，电路简单、成本低、制作简单、控制响应快。利用单片机灵活的编程及接口设计可以方便地实现直流电机的速度设定、反馈及P W M 输出控制。从而实现一种经济实用的直流电机P W M 控制系统。参考文献：1 邓星钟机电传动控制【M 武汉：华中科技大学出版社，2 0 0 1 2】铁勇，郭改枝，李媛，等基于C P L D 控制的直流电机P W M 控制器的设计 J 内蒙古大学学报(自然科学版)。2 0 0 6(6)：6 9-7 3 3 I R F 5 2 0D A T AS H E E T Z I N 7 I E R S I LC O R-P O R A T I O N 4】黄安始，罗金成，胡业发，等全数字智能直流调速系统设计 J 微计算机信息，2 0 0 6，2 2(2)：1 1 4-1 1 6 作者简介：王苏，女，1 9 8 8 年生，山东郓城人，大学本科。研究领域：测控。(编辑：向飞)万方数据机械手PLC控制系统的设计机械手PLC控制系统的设计作者：黄伟，胡青龙作者单位：黄伟(江苏农林职业技术学院信息工程系,江苏句客,212400)，胡青龙(江苏沙钢集团有限公司,江苏张家港,215625)刊名：机电工程技术英文刊名：MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY年，卷(期)：2008,37(11)被引用次数：9次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.赵秉衡 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