杨青峰-PLC原理与应用-知识模块四

1、知识模块四 机 械 手 控 制 知识模块四知识模块四 机机 械械 手手 控控 制制 4.1 教学组织 4.2 教学内容 4.3 技能训练 边学边议 知识模块四 机 械 手 控 制 4.1 教教 学学 组组 织织一、教学目的一、教学目的(1) 掌握PLC顺序功能图的设计方法。(2) 掌握根据顺序功能图编写梯形图程序的方法。(3) 掌握控制系统多种工作方式的设计方法。知识模块四 机 械 手 控 制 二、教学节奏与方式 项 目 时间安排 教 学 方 式 1 教师讲授 8 学时 教学前参观实物， 重点讲解功能图的设计方法及机械手 PLC控制方案设计 2 技能训练 2 学时 PLC 机械手控制方案设计

2、知识模块四 机 械 手 控 制 4.2 教教 学学 内内 容容4.2.1 顺序控制设计方法顺序控制设计方法经验设计法没有规律可循，具有很大的试探性和随意性，常需经过反复修改和完善才能符合设计要求，所以设计的结果往往不很规范，因人而异。经验设计法一般适合于设计一些简单的梯形图程序或复杂系统的某一局部程序(如手动程序等)。目前常用的一种编程方法顺序控制设计法，是专门针对顺序控制系统的一种设计方法。这种设计方法很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。PLC的设计者们为顺序控制系统的程序编制提供了大量通用和专用的编程元件，开发了专门供编制顺序控制程序用

3、的功能表图，从而使这种先进的设计方法成为了当前PLC程序设计的主要方法。知识模块四 机 械 手 控 制 如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行，则这样的控制系统称为顺序控制系统，也称为步进控制系统。其控制总是一步一步按顺序进行的。在工业控制领域中，顺序控制系统的应用很广，尤其在机械行业，几乎无例外地利用顺序控制来实现加工的自动循环。顺序功能图是一种描述控制系统的控制过程、功能和特性的图形，也是设计PLC顺序控制程序的有力工具。顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以用于进一步设计和不同专

4、业的人员之间进行技术交流。顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作(命令)组成。知识模块四 机 械 手 控 制 1. 步步顺序功能图设计方法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步。可以用编程元件辅助继电器M和状态器S来表示各步。步是根据PLC输出状态的变化来划分的，在任何一步之内，各输出状态保持不变，但是相邻两步的输出状态总有不同。步的这种划分方法使代表各步的编程元件与PLC各输出状态之间有着极为简单的逻辑关系。知识模块四 机 械 手 控 制 如图4-1所示，运料矿车开始停在右侧限位开关X1处，按下启动按钮X3，Y11变为ON，打开储料斗的闸门，

5、开始装料，同时用定时器T0定时。10s定时时间到，Y11变为OFF，关闭储料斗的闸门，Y12变为ON，开始左行。碰到限位开关X2时Y12变为OFF，停止左行，Y13变为ON，开始卸料，同时用定时器T1定时。5 s后定时时间到，Y13变为OFF，停止卸料，Y10变为ON，开始右行，碰到限位开关X1后返回初始步，停止运行。知识模块四 机 械 手 控 制 图4-1 运料矿车控制系统的顺序功能图 知识模块四 机 械 手 控 制 根据Y10Y13的ON/OFF状态的变化，可将一个工作周期分为装料、左行、卸料和右行这4步，另外还应设置等待启动的初始步，分别用M0M4来代表这5步。图4-1左下侧是有关编程元

6、件的波形图(时序图)，右下侧是描述该系统的顺序功能图，图中用矩形方框表示步，方框中可以用辅助继电器M的元件号作为步的编号(如M0)，这样在根据顺序功能图设计时较为方便。知识模块四 机 械 手 控 制 1) 初始步与系统的初始状态对应的步称为初始步，初始状态一般是系统等待启动命令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示，每一个顺序功能图至少应该有一个初始步。2) 活动步当系统正处于某一步所在的阶段时，该步处于活动步。步处于活动状态时，相应的动作被执行；处于不活动状态时，相应的非存储动作被停止执行。知识模块四 机 械 手 控 制 3) 与步对应的动作或命令一个控制系统可以划分为被控系统和施控系统，例

7、如在数控车床系统中，数控装置是施控系统，而车床是被控系统。对于被控系统，在某一步中要完成某些“动作”；对于施控系统，在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”。将动作或命令都简称为动作，并用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应的步的符号相连。如果某一步有几个动作，则可以用如图4-1所示的形式表示，但是图中并不隐含这些动作之间的任何顺序。知识模块四 机 械 手 控 制 2. 有向连线有向连线在功能图中，随着时间的推移和转换条件的实现，将会发生步的活动状态的顺序进展，这种进展按有向连线规定的路线和方向进行。在画功能图时，将代表各步的方框按它们成为活动步的先后次序顺序排列，并用有向连线将它们连接

8、起来。活动状态的进展方向习惯上是从上到下或从左到右，在这两个方向有向连线上的箭头可以省略。如果不是上述的方向，应在有向连线上用箭头注明进展方向。知识模块四 机 械 手 控 制 3. 转换转换 转换是用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示的。转换将相邻两步分隔开。步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的，并与控制过程的发展相对应。4. 转换条件转换条件 如图4-1所示，使系统由当前步转入下一步的信号称为转换条件。转换条件可能是外部输入信号，如按钮、指令开关、限位开关的接通/断开等；也可能是PLC内部产生的信号，如定时器、计数器触点的接通/断开等；还可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。知识模块

9、四 机 械 手 控 制 4.2.2 机械手的控制机械手的控制机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。知识模块四 机 械 手 控 制 1. 机械手的工艺过程机械手的工艺过程如图4-2所示是一台工件传送的气动机械手的动作示意图，其作用是将工件从A点传递到B点。气动机械手的升降和左右移行分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动气缸来完成，其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为YV1与YV2，左移、右移对应电磁阀的线圈分别为YV3与YV4。一旦电

10、磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。气动机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的气缸完成，线圈(YV5)断电夹住工件，线圈(YV5)通电松开工件，以防止停电时工件跌落。机械手的工作臂都设有上、下限位和左、右限位的位置开关SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边，且除松开的电磁线圈(YV5)通电外，其他线圈全部断电的状态为机械手的原位。知识模块四 机 械 手 控 制 图4-2 简易物料搬运机械手的工艺流程图 知识模块四 机 械 手 控 制 工艺过程为：当按下启动按钮时，机械手

11、开始由原点下降，下降碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件。为保证工件可靠夹紧，在该位置等待5 s。夹紧后，上升电磁阀通电，开始上升，上升至碰到上限位开关后，停止上升，改为向右移动，右移至碰到右限位开关后，停止右移，改为下降，下降至碰到下限位开关后，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在右工作台上，为确保可靠松开，在该位置停留5 s，然后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手搬运一个工件的全过程结束。知识模块四 机 械 手 控 制 2. 机械手的动作要求机械手的动作要求为了满足生产需要，很多工业

12、设备要求设置多种工作方式，例如手动和自动两种工作方式，其中自动又包括连续、单周期、单步和回原位四种工作方式。机械手整个搬运过程要求具有手动、单步、单周期、连续和回原位五种工作方式，如图4-3所示，五种工作方式用开关SA进行选择。手动工作方式时，用各操作按钮(SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11)来点动执行相应的各动作；单步工作方式时，每按一次启动按钮(SB3)，向前执行一步动作；单周期工作方式时，机械手在原位，按下启动按钮(SB3)，自动地执行一个工作周期的动作，最后返回原位(如果在动作过程中按下停止按钮(SB4)，机械手停在该工序上，再按下启动按钮(SB3)，则又从该工

13、序继续工作，最后停在原位)；连续工作方式时，机械手在原位，按下启动按钮(SB3)，机械手就连续重复进行工作(如果按下停止按钮(SB4)，则机械手运行到原位后停止)；回原位工作方式时，按下回原位按钮(SB11)，机械手自动回到原位状态。知识模块四 机 械 手 控 制 图4-3 机械手操作面板示意图 知识模块四 机 械 手 控 制 如图4-4所示是机械手控制系统的逻辑流程图。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位左位、松开。图4-4 机械手控制系统的逻辑流程图 知识模块四 机 械 手 控 制 机械手动作要求如下：(1) 机械手下降：当工作台A上有工件时，机械手开始下降。下降到低位时，

14、碰到下限位开关，机械手停止下降。(2) 夹紧工件：机械手在最低位开始夹紧工件，延时5 s抓住抓紧。(3) 机械手上升：机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。(4) 机械手右移：机械手右移到位时，碰到右限位开关，停止右移。(5) 机械手下降：当机械手下降到B时，碰到下限位开关，机械手停止下降。知识模块四 机 械 手 控 制 (6) 松开工件：机械手在最低位开始放松工件，延时5 s。(7) 机械手上升：机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。(8) 机械手左移：机械手在高位开始左移，碰到左限位开关，停止左移。机械手工作的一个周期完成，等待工件在工作台A上出现再转到第一步，开始下一个工

15、作循环。知识模块四 机 械 手 控 制 3. I/O分配分配如图4-5所示为机械手控制系统PLC的I/O接线图，选用FX2N-48MR的PLC，系统共有18个输入设备和5个输出设备，分别占用PLC的18个输入点和5个输出点。为了保证在紧急情况下(包括PLC发生故障时)，能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM。在PLC开始运行时按下“电源”按钮SB2，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给输出设备提供电源；出现紧急情况时，按下“急停”按钮SB1，KM触点断开电源。知识模块四 机 械 手 控 制 图4-5 机械手控制系统PLC的I/O接线图 知识模块四 机 械 手 控 制 4. 顺

16、序功能图和控制梯形图顺序功能图和控制梯形图图4-6所示为机械手控制系统自动控制的顺序功能图。该图是一种典型结构，这种结构可以用于其他具有多种工作方式的系统。控制梯形图如图4-7所示。知识模块四 机 械 手 控 制 图4-6 机械手控制系统自动控制的顺序功能图 知识模块四 机 械 手 控 制 图4-7 控制梯形图 知识模块四 机 械 手 控 制 4.3 技技 能能 训训 练练一、实验目的一、实验目的熟练掌握顺序功能图的设计方法。二、机械结构和控制要求二、机械结构和控制要求图4-2中为一个将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通

17、电时，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/松开由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电时执行夹紧动作，线圈断电时执行松开动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图4-6所示。知识模块四 机 械 手 控 制 三、机械手动作的模拟实验面板图三、机械手动作的模拟实验面板图如表4-1和图4-8所示，电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4、YV5和指示灯HL分别接主机的输出点Y0、Y1、Y2、Y3、Y4和Y5；SB1、SB2分别接主机的输入点X0、X5；SQ1、SQ2、SQ3、

18、SQ4分别接主机的输入点X1、X2、X3、X4。启动、停止用动断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀和原位指示灯用发光二极管来模拟。知识模块四 机 械 手 控 制 表 4-1 输入/输出点分配表 输入设备 输入点 输出设备 输出点 启动按钮 SB1 X0 下降电磁阀 YV1 Y0 下限位开关 SQ1 X1 夹紧电磁阀 YV2 Y1 上限位开关 SQ2 X2 上升电磁阀 YV3 Y2 右限位开关 SQ3 X3 右移电磁阀 YV4 Y3 左限位开关 SQ4 X4 左移电磁阀 YV5 Y4 停止按钮 SB2 X5 原位指示灯 HL Y5 知识模块四 机 械 手 控 制 图4-8 PLC硬件接线图 知识模块四 机 械 手 控 制 四、编制梯形图四、编制梯形图请读者按照要求编制梯形图并写出实验程序。知识模块四 机 械 手 控 制 边边 学学 边边 议议1. 按一下启动按钮，灯亮10 s，暗5 s，重复3次后停止工作。试设计梯形图。2. 小车在初始状态时停在中间，限位开关X0为ON，按下启动按钮X0，Y0得电带动小车右行，直到压下限位开关X1，则小车停止，右行转为左行，Y1得电，左行到压下限位开关X2后，改为右行