气动机械手控制系统设计

一、机械手的工作过程与控制要求1.机械手概况搬运机械手将工件从左工作台搬往右工作台，机械手的结构和各部分动作的示意图如图8-59所示：图8-59机械手工作过程示意图机械手所有的动作均由气压驱动。12它的上升与下降、左移与右移等动作均由二位五通双控电磁换向阀控制，即当下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手停止下降；只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升。3机械手的夹紧和放松用一个二位五通单控电磁换向阀来控制，线圈通电时夹紧，线圈断电时放松。2.机械手的工作过程机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图如图8-60所示：图8-60机械手动作顺序和检测元件、执行元件布置示意图321机械手的初始位置停在原点，按下起动按钮后，机械手将依次完成下降—夹紧—上升—右移—再下降—放松—再上升—左移八个动作。机械手的下降、上升、右移、左移等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的。

为保证安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上一次搬到右工作台上工件尚未移走，机械手应自动暂时等待。为此设置了一只光电开光，以检测“无工件”信号。3.控制要求（1）手动工作方式利用按钮对机械手每一动作单独进行控制。例如，按“下降”按钮，机械手下降，按“上升”按钮，机械手上升。用手动操作可以使机械手置于原位，还便于维修时机械手的调整；（2）单步工作方式从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一下起动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止。3.控制要求（3）单周期工作方式按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。（4）连续工作方式按下启动按钮，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。或者将工作方式选择开关转换到“单周期”工作方式，此时机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。根据以上控制要求，操作台面板布置示意图如图8-61图8-61机械手操作台面板布置示意图二、机械手气动驱动原理机械手的气动驱动系统是驱动执行机构运动的传送装置，主要实现机械手垂直、水平和手爪的夹紧动作。气动系统工作原理如图8-62所示：图8-62气动系统工作原理图1.机械手水平部分运动控制（1）当电磁阀YV1通电时，机械手悬臂右移；（2）当电磁阀YV1失电时，悬臂停止右移；（3）当电磁阀YV2通电时，机械手悬臂左移；（4）当电磁阀YV2失电时，悬臂停止左移；2.机械手垂直部分运动控制当电磁阀YV3通电时，机械手下降；当电磁阀YV3失电时，机械手停止下降；当电磁阀YV4通电时，机械手上升；当电磁阀YV4失电时，机械手停止上升；3.气爪控制(1)当电磁阀YV5通电时，气爪夹紧；(2)当电磁阀YV5失电时，气爪松开；三、确定输入输出点数并选择PLC1.输入信号

输入信号是将机械手的工作状态和操作的信息提供给PLC。PLC的输入信号共有17个输入信号点，需占用17个输入端子。具体分配如下：（1）位置检测信号有下限、上限、右限、左限共4个行程开关，需要4个输入端子；（2）“无工件”检测信号采用光电开关作检测元件，需要1个输入端子；（3）“工作方式”选择开关有手动、单步、单周期、和连续4种工作方式，需要4个输入端子；三、确定输入输出点数并选择PLC1.输入信号

输入信号是将机械手的工作状态和操作的信息提供给PLC。PLC的输入信号共有17个输入信号点，需占用17个输入端子。具体分配如下：（4）手动操作时，需要有下降、上升、右移、左移、夹紧、放松6个按钮，也需要6个输入端子；（5）自动工作时，尚需起动按钮、停止按钮，也需占2个输入端子。以上共需17个输入信号点。2.输出信号PLC的输出信号用来控制机械手的下降、上升、右移、左移和夹紧5个电磁阀线圈，需要5个输出点；机械手从原点开始工作，需要有1个原点指示灯，也要占用1个输出点。所以，至少需要6个输出信号点。3.PLC的选择如果功能上再无其他特殊要求，则有多种型号的PLC可选用，此处选用FX2N-48MR。FX2N-48MR共有输入24点，输出24点，继电器输出。四、I/O地址分配及PLC外部接线图

1.I/O地址分配表输入端子输出端子名称代号端子编号名称代号端子编号启动按钮SB1X0机械手下降YV3Y0下降限位ST1X1夹紧/松开YV5Y1上升限位ST2X2机械手上升YV4Y2右移限位ST3X3机械手右移YV1Y3左移限位ST4X4机械手左移YV2Y4无工件检测SQX5原点指示灯L1Y5停止按钮SB2X6

手动模式S11X7

单步模式S12X10

单周期模式S13X11

连续操作模式S14X12

下降按钮SB3X13

上升按钮SB4X14

右移按钮SB5X15

左移按钮SB6X16

夹紧按钮SB7X17

松开按钮SB8X20

2.PLC外部接线图

根据对机械手的输入输出信号的分析以及所选的外部输入设备的类型及PLC的机型，设计机械手PLC控制外部接线如图8-63所示。图8-63机械手PLC控制外部接线图五、控制程序设计1.总体设计（1）设计思想

该机械手控制程序较复杂，运用模块化设计思想，采用“化整为零”的方法，将机械手控制程序分为:公共程序、手动程序和自动程序，分别编出这些程序段后，在“积零为整”，用条件跳转指令进行选择，用这种设计思想设计的控制程序运行效率高，可读性好。

系统运行时首先执行公共程序，然后当选择手动工作方式（手动，单步）时X007或者X010接通并跳至手动程序执行；当选择自动工作方式(单周期，连续时)时X007，X010断开，而X011或X010断开，而X011或X012接通则跳至自动程序执行。

工作方式选择转换开关采取机械互锁，因而此程序中手动程序中和自动程序可采用互锁，也可以不互锁。机械手的主控制程序如图8-64所示：（2）主控程序图8-64机械手的主控制程序2.公用程序设计（1）公用程序的作用公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理。（2）公用程序图8-65公用程序（3）公用程序解析123左限位开关X004、上限为开关X002的常开触点和表示机械手夹紧的Y001的常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”M5变为ON。当机械手处于原点状态（M5为ON），在开始执行用户程序（M8001为ON）、系统处于手动态状态或自动回原点状态（M5为ON），在开始执行用户程序（M8001为ON）、系统处于手动状态或自动回原点状态（X007为ON）时，初始步对应的S0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。如果此时M5为OFF状态，S0将被复位，初始步为不活动步，即使按下启动按钮也不能进入步S20，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。3.手动控制程序的设计手动程序分为点动控制和单步控制两部分；手动操作不需要按工序顺序动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动按钮X013～X020分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松各个动作。为了保证系统的安全运行设置了一些必要的联锁。其中在左、右移动的梯形图中加入了X002作为上限联锁，因为机械手只有处于上限位置时，才允许左右移动；由于夹紧、放松、动作是用单线圈双位电磁阀控制，故在梯形图中用“置位”、“复位”指令，使之有保持功能（1）点动控制程序图8-66点动控制程序（2）单步控制程序图8-67单步控制程序4.自动控制程序的设计机械手自动控制可分为单周期控制和自动连续控制两种方式；（1）自动操作流程图由于自动操作的动作较复杂，可先画自动操作流程图，用以表明动作的顺序和转换条件，然后再根据所采用的控制方法设计程序。矩形框表示“工步”相邻两工步拥有向线段连接，表明转换的方向。小横线表示转换条件。若转换条件得到满足则程序从上一工步转到下一共步。自动操作流程如图8-68所示：图8-68机械手自动操作流程图（2）机械手自动控制主控程序设计图8-69机械手自动控制主控程序（3）机械手自动控制程序设计图8-70机械手自动控制程序五、气动机械手控制案例分析机械手气动系统设计时，选择电磁线圈电压电流时应与PLC的输出端子电压电流等相一致，也是为了减