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PLC在机械手控制系统上的应用 |
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作者：山东农业大学 丁筱玲 赵立新 |
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摘要： 机械手在工业生产中得到广泛的应用，传统工艺中采用继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因 此故障多，维修困难，费时费工，不仅加大了成本，而且影响设备的工效。本文介绍了用日本三菱公司生产的F1／F2 系列可编程控制器，根据机械手的运动规律：左／右、上／下、夹／松等进行软件编程。实现了手动操作，即：用按钮操 作，对机械手的每一种运动单独进行控制；自动操作包括单步、单周期和连续操作。另外，对右工作台有工件的特 殊情况进行了处理。采用梯形控制直观易懂，为电气人员所熟悉；采用PLC控制使接线简化，安装方便，而且保证 运行的可靠性，减少维修量，提高了工效。
关键词：可编程控制器；继电器；机械手
1机械手工作原理
1．1机械手动作原理及示意图
机械手动作示意图如图1所示。其全部动作由汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀控制。其中，上升／下降和左移／右移分别由双线圈两位电磁阀控制。下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有上升电磁阀通电时，机械手才上升；上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移／右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松／夹紧由一个单线圈(称为夹紧电磁阀)控制。该线圈通电，机械手夹紧；该线圈断电，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降时，为确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手自动停止下降。
图1机械手动作示意图
1．2机械手动作过程
机械手的动作过程如图2所示。从原点开始按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手开始下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升电磁阀开始通电，机械手上升；上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移，右移到位时，碰到右移极限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。此时，右工作台上无工作，则光电开关接通，下降电磁阀接通，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，放松后，上升电磁阀通电，机械手上升，上升到极限时碰到极限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移；左移到原点时，碰到左极限开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。
图2机械手动作过程
1．3机械手操作方式
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。
手动操作：就是用按钮操作，对机械手的每一种运动单独进行控制。例如：当选择上／下运动时，按下启动按钮，机械上升；按下停止按钮，机械手下降。当选择左／右运动时，按下启动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧／放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。
单步操作：每按一下启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新启动时需用手动操作方式将机械手移回到原点，然后按一下启动按钮，机械手又开始重新单周期操作。
连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手将自动地、连续地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手停止工作。重新启动时，必须用手动操作将机械手移回到原点，然后按下启动按钮，机械手又开始重新连续工作。在工作中若按下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
2用户所需输入／输出设备的确定
2．1输入设备——用于产生输入控制信号
本设计中输入设备应包括以下几种：①操作方式转换开关，该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。②手动时的运动选择开关。该开关应有上／下、左／右、夹紧／放松三个位置可供选择。③启动、停止及复位按钮。开关及按钮在操作屏上的布置如图3所示。④位置检测元件。机械手的动做是按行程原则进行控制的，其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。
图3操作屏布置
2．2输出设备——由PLC的输出信号驱动的执行元件
本设计中输出设备应包括下降电磁阀、上升电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、夹紧电磁阀等部分。为了对机械手原点位置进行指示，还要配置一个原点指示灯。
总之，根据所确定的用户输入设备及输出设备可知，PLC共需要15点输入、6点输出。
3PLC的选择
该控制系统要实现的是步进控制，可以选择使用一般PLC，用移位寄存器和移位指令宋编程，由于所需的I／O点数为15／6点，考虑机械手操作的工艺是固定的，PLC的I／O基本上可不留余量。考虑经济、维修等因素可选择F1／F2系列可编程控制器。
F1／F2系列PLC的CPU为8039单片机芯片，执行时间为12／步，F1系列容量为1K。F2系统容量为2K步。储存方式有机内RAM、EPROM、EEPROM。输入为直流24V。输出有继电器、晶体管和可控硅三种输出方式。
F1／F2系列PLC最大I／O点数为120点，可任意组合。用模拟量单元F2-6A-E后可进行模拟量控制。其中一台F2-6A-E可处理四路A／D、2路D／A。一台30点以上的主机可带三个模拟量单元，共计可处理12路A／D、6路D／A，且不占用开关量点数。用定位控制单元F2-30GM可进行位置控制，驱动伺服电机或步进电机。F1／F2系列PLC除可用简易型编程器外，还可进行图形编程，用IBM计算机或其他兼容机进行编程。经综合考虑，可选择F1／40M可编程控制器。
4PLC的程序设计
图4为机械手控制总程序结构框图。在该结构框图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点X407接通，其输入继电器常闭接点断开，执行手动操作程序。
图4总程序结构框图
当选择开关置于“单步”、“单周期”、“连续”时，其对应的输入点X410、X411、X412接通，其输入继电器常闭接点断开，执行自动操作程序。
在执行自动操作程序时，如操作选择开关置于“连续”时，启动后辅助继电器M200接通，程序自动循环。操作开关置于“单步”时，M200同样接通，程序也可以循环，但必须是每按一次启动按钮执行一步。如果操作开关置于“单周期”或运行过程中按下复位按钮时，则辅助继电器M200复位，程序执行完一个周期(即机械手回到原点)时自动停止。由于手动程序和自动程序采用了跳转指令，因此这两个程序段可以采用同一套输出继电器。
5结语
该机械手在改用PLC控制以前，采用传统的继电器控制，其控制线路复杂，继电器多；采用本程序控制之后，控制线路简单化，省去了全部继电器，安装十分方便，并且保证了系统运行的可靠性，减少了维修量，提高了工效，社会经济效益得到明显提高。
参考文献
〔1〕 朱绍祥等编译．可编程控制器原理与应用〔M〕．上海：上海交通大学出版社，1988，121-143
〔2〕 王兆义．可编程控制器教程〔M〕．北京：机械工业出版社，1993，98-103
〔3〕 成大光．机械设计手册〔S〕．北京：化学工业出版社，2000，146-153
〔4〕 程光蕴．机械设计〔M〕．北京：高教出版社，1999，113-156(end)
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(3/19/2007) |
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