机械手三菱PLC控制系统的设计.doc

论文题目：四自由度机械手PLC控制系统的设计

四自由度机械手PLC控制系统的设计

[摘要] 随着工业机械手的进一步发展，其发展将更趋向于人性化、智能化并将在更加广泛的领域得到应用。本文将以四自由度工业机械手为例，采用可编程序控制器（PLC）设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。
[关键词] 步进控制、自动控制、单周控制、状态初始化、状态转换
随着现代工业生产的迅速发展，工业搬运机械手得以广泛应用，它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。因而对机械手的控制要求也越来越高，若用传统的继电器控制方案进行控制，势必造成系统元件多，接线繁杂、稳定性差、故障率高，给工业生产带来很多不便；针对这些问题如果采用性能价格比高的可编程序控制器（PLC）设计其控制系统，可使该系统的运行可靠性高、故障率低、维修方便，取得良好的工作效果。本文以四自由度工业机械手为例，采用可编程序控制器（PLC）设计其控制系统。效率分析
一、机械手动作过程与要求
1、机械手的运动机构
①四自由度工业机械手动作过程如图所示，其中，1为立柱作180°的回转运动，2为沿立柱作上下移动，3为沿水平方向作　　 3 4 5
伸缩运动柱，4为手腕作180°的回转运动，
5为手指的夹紧、放松运动。对应每个动作　　　 2
均装有行程到位检测开关、机械手减速作缓， 　　　 1
冲运动的检测开关用来作为PLC控制机械手
动作的输入信号，使其在运动过程中定位准确、平稳。
②控制的气动回路图及电磁阀动作表如图所示。

Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
Y10
Y11
Y12
Y13
Y14
Y15
Y16
Y17
上升
＋

上升缓冲
＋

+

正摆

+

夹紧

+

伸出

＋
＋

伸出缓冲

＋
＋

＋

正转

+

＋

放松

缩进

＋

缩进缓冲

＋
+

反转

＋
反摆

＋

下降

＋

下降缓冲

＋

+

2、机械手的控制方式
（1）回原点控制：由操作面板上的选择开关选择回原点，再由回原点按钮进行控制，整个过程自动完成，并有回原点到位显示。
开始
（2）手动控制：由操作面板上的选择开关选择手动，再由面板上的按钮分别控制手动控制机械手的十个动作。
（3）自动控制方式，其动作流程图如图所示。
上升
a、步进控制：由操作面板上的选择
正摆
开关选择步进控制，每按一次起动按钮，
夹紧
机械手按动作顺序，向前执行一步动作。
正转
b、单周控制：由操作面板上的选择
开关选择单周控制，机器在原位时,按下
伸出
起动按钮，自动的完成一个执行周期的
放松
操作,操作完后机器又停在原位上。若在
缩进
执行过程中，按下停止按钮，则机器停留
反转
该步工序上。再按下起动按钮，则又从该
步工序继续工作，最后仍自动地停在原位
反摆
上。
下降

c、自动控制：由操作面板上的选择开关选择自动控制方式，机器在原位时,按下起动按钮，机器就连续周期地重复进行各步序工作。直到按下停止按钮，机器执行完最后一个工作周期返回原位，然后停机。
二、机械手控制的PLC造型及I／O分配
根据机械手的控制要求，所有的输入量均为开关量，且输入点为30点、输出点为23点，共计53点。为此，考虑预留一定的I／O余量及PLC硬件资源充分利用的要求，选用性能价格比较高的FXON－60MR可编程序控制器。
（一）、FXON－60MR性能简介
FXON－60MR基本单元输入继电器编号为X0－X7，X10－X17，X20－X27，X30－X37，X40－X43，共36点，输出继电器编号为Y0－Y7，Y10－Y17，Y20－Y27，共24点，内部有辅助继电器384点、保持继电器128点（电池支持），256个专用辅助继电器，及一些常用的定时器、计数器、状态器。
（二）、机械手PLC控制的PLC　I／O表
输入地址
对应开关
名称作用
输入地址
对应开关
名称作用
X0
SA1－1
单一操作
X21
SB13
下降按钮
X1
SA1－2
返回原点
X22
SQ1
上升行程开关
X2
SA1－3
步进控制
X23
SQ2
上升缓冲检测开关
X3
SA1－4
单周控制
X24
SQ3
下降缓冲检测开关
X4
SA1－5
连续控制
X25
SQ4
下降行程开关
X5
SB1
返回原点按钮
X26
SQ5
正摆行程开关
X6
SB2
起动按钮
X27
SQ6
反摆行程开关
X7
SB3
停止按钮
X30
SQ7
伸出行程开关
X10
SB4
正转按钮
X31
SQ8
伸出缓冲检测开关
X11
SB5
反转按钮
X32
SQ9
缩进缓冲检测开关
X12
SB6
伸出按钮
X33
SQ10
缩进行程开关
X13
SB7
缩进按钮
X34
SQ11
正转行程开关
X14
SB8
正摆按钮
X35
SQ12
反转行程开关
X15
SB9
反摆按钮

X16
SB10
夹紧按钮

X17
SB11
放松按钮

X20
SB12
上升按钮

输出地址
动作元件
功能作用
输出地址
动作元件
功能作用
Y3
YA1
上升
Y12
YA8
伸出
Y4
YA2
下降
Y13
YA9
缩进
Y5
YA3
上升缓冲
Y14
YA10
缩进缓冲
Y6
YA4
下降缓冲
Y15
YA11
伸出缓冲
Y7
YA5
正摆
Y16
YA12
正转
Y10
YA6
反摆
Y17
YA13
反转
Y11
YA7
夹紧
Y1
HL2
原点显示

三、电气控制系统设计
（一） PLC控制系统端口分配及接线图

四、PLC的程序设计
（一）根据机械手的工艺要求及其控制方式，设计出控制系统软件的流程图。
开始

初始化

状态转换程序
初始化

　　　　　　　　　　　　手动　　　Y　　　　　　　　　　　　　　　　
手动程序
N

回原点程序
回原点 Y
N
自动 Y
自动程序
　　　　　　　　　　　　　　N　　　　　　　　　　　　　　　　　
结束

（二）根据上述系统软件流程图，设计系统的程序结构图。
通用程序
通用程序
CJ　　P0
X0
手动程序

CJ P1

P0 X1
返回原点程序

CJ　　P2
P1 X2 X3 X4
自动程序

END

P2

（三）程序模块及程序梯形图
1、状态初始化
在程序设计过程中，手动程序的工作顺序不需要从原位开始，故选择单一手动操作时，对S0复位，而回原点的目的是保证自动程序能从原点开始，故对S0置位，同时为了保证在回原点和手动操作误按起动按钮，造成机械手出现误动作，因此在这个操作时，将中间状态的状态器进行成批复位。
SET　　S0
　　　　　　　　　X1　　　X5　　　　　　　

RST　　S0
　　　　　　　　　　X0　　　　　　　　　　　　　　　
ZRST　S20　　　　　S30
　　　　　　　　　X0　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　X1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　M8002　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　2、状态转换起动
在自动程序中，包括步进、单周和连续操作三种方式，为能确认选择三种不同的操作，设置了状态转换起动电路。
　　　　　　　　X4　　M0　　X7　　X2　　　　　 （M0）
　　　　　　　　X6　　　　　　　　　X3　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　X4　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　X25　　X27　　Y11　　X33　　X35　　（Y25）
M0为开始转换状态辅助继电器，Y25为原点的条件，而M0的控制正是根据自动程序中三种不同的操作方式设计的，如：步进、 单周控制时，只需一个起动的信号，就可以实现从原点起动，并按流程图的顺序转换，直至停止，对连续控制，则要求保证有一个连续的M0的信号，故采用X4与M0相串联的自保持电路。
3、状态转换禁止
当用步进梯形指令控制状态器转换时，特殊辅助继电器M8040动作，则状态器的自动转换就被禁止，这样设计的目的，是为了（1）在单周操作时，保证在按下停止按钮时，操作停止在现行工序，而当按起动按钮时，又可以继续工作。（2）在步进方式时，M8040始终得电，状态器自动转换被禁止，按一下起动按钮，在当前状态的工作完成的前提下，才能进行下一状态转移，完成下一步工序处理。

　　　　　　　　　X6　　　　　　　　　　　　　　[PLS　M2]　　　　　　　　　　
　　　　　　X7　　　　X3　　　　M2　　　　　　　（M8040）　　　　　　
　　　　　　　　　　X2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　X0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　X1　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　M8002　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　M8040　　　　
4、回原点程序
在选择回原点的工作方式，只要按下回原点按钮，则整个过程自动完成。当返回原点后设置显示装置，其动作的顺序为：松开—缩进—反转—反摆—下降—结束并显示原点位置。

　　　　　　X1　　　X5　　　　　X25　　　　　　　　　　　 （M3）
　　　　　　　M3
　　　　　　　M3　　　　　　　　　　　　　　 [RST Y11]
　　 X33　 (Y13)
　　 X32 (Y14)
　　 Y14
　　 X33　 X35 (Y17)
X35 X27 (Y10)
X27 (Y4)
X24 (Y6)
Y6
5、手动程序
在有初始化程序的前提下，只要按相应的按钮，就可以完成相应动作的要求，故电路中只要设置必要的联锁及限位控制。
　　　　　　X20　　　X21　　 X22　　Y4　　　　　　　　 (Y3)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　X23 (Y5)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Y5
X21 X20 X25 Y3 (Y4)　
X24 (Y6)
Y6
X14 X15 X26 Y10 (Y7)
X15 X14 X27 Y7 (Y10)
X16 X17 [SET Y11]

X17 X16 [RST Y11]
X10 X11 X34 Y17 (Y16)
X11 X10 X35 Y16 (Y17)
X12 X13 X30 Y13 (Y12)
X31 (Y15)
Y15
X13 X12 X33 Y12 (Y13)
X32 (Y14)
Y14
6、自动程序
根据动作流程图，采用顺控步进指令很方便就可实现要求，结合相应的转移条件，设计出状态转移图和梯形图。
S0 M0 Y25 [SET S20]
STL S20 (Y3)
X23 (Y5)
Y5
X22 [SET S21]
STL S21 (Y7)
X26 [SET S22]
STL S22 [SET Y11]
(T0 K50)
T0 [SET S23]
STL S23 (Y12)
X31 (Y15)
Y15
X30 [SET S24]

STL S24 (Y16)
X34 [SET S25]
STL S25 [RST Y11]
(T1 K50)
T1 [SET S26]
STL S26 (Y13)
X32 (Y14)
Y14
X33 [SET S27]
STL S27 (Y17)
X35 [SET S28]

STL S28 (Y10)
X27 [SET S29]
STL S29 (Y4)
X24 (Y6)
Y6
X25 [SET S0]
[RST]

7、将上述通用程序块、手动程序块、自动程序块、回原点程序块，按跳转条件程序有机地连接起来，即得到四自由度机械手实现控制的总程序。

结束语:
通过本次设计使我加深了对PLC的理解，扩大和深化了专业知识面。因此我们只有通过不断加强学习，才能提高适应现代技术发展的能力和要求。
在撰写本文过程中，非常高兴得到韶关高级技校授课老师高志、廖燕峰、赖小群，特别是广东工业大学教授的指导，谨此表示致谢！

◆参考文献:
1、《机电一体化设计手册》
2、张海根　主编《机电传动控制》　　
3、三菱微型可编程控制器　FXON使用手册
4、钟肇新　彭侃　编译《可编程控制器原理及应用》