基于PLC和氣動(dòng)技術(shù)的自動(dòng)輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張新娟

（中山市技師學(xué)院電氣應(yīng)用系，廣東中山 528403）

0 引言

目前，某些工廠的產(chǎn)品具有易燃、易爆、酸性、腐蝕性、放射性等對(duì)人有害的特性，而此類產(chǎn)品的原材料也具有相應(yīng)特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)，在加工生產(chǎn)過程中，原材料的輸送如防護(hù)不當(dāng)，極易發(fā)生事故，所造成的后果非常嚴(yán)重。在最近幾年，隨著機(jī)電一體化和氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展迅速，機(jī)器人以及其他智能機(jī)器和自動(dòng)化裝置在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的前景[1-2]。本文主要介紹一套針對(duì)危險(xiǎn)性原材料的自動(dòng)輸送系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)輸送系統(tǒng)可分為機(jī)械裝置、氣動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制三部分。機(jī)械裝置主要有運(yùn)送車和機(jī)械手。運(yùn)送車是一套移動(dòng)設(shè)備，能裝載6 個(gè)盛放危險(xiǎn)性原材料的化學(xué)桶。氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件包括1 個(gè)氣動(dòng)雙向馬達(dá)、1 個(gè)氣動(dòng)吸附泵以及7 個(gè)氣缸，用來驅(qū)動(dòng)運(yùn)送車和機(jī)械手的動(dòng)作。電氣控制部分采用上、下位機(jī)的主從模式，上位機(jī)為個(gè)人電腦（IPC）、下位機(jī)選用PLC。IPC 負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)視和人機(jī)交互，而PLC 根據(jù)IPC的輸入程序和傳感器檢測(cè)的信息實(shí)時(shí)控制氣動(dòng)系統(tǒng)中的10 個(gè)電磁閥來控制馬達(dá)、氣缸等的循環(huán)動(dòng)作。系統(tǒng)有連續(xù)和單步2 種工作方式。用戶可以通過IPC 顯示器來監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 自動(dòng)輸送系統(tǒng)的構(gòu)成圖

2 機(jī)械裝置

機(jī)械裝置包括運(yùn)送車、機(jī)械手和一些輔助裝置。運(yùn)送車由運(yùn)動(dòng)輪、機(jī)架、承載桶的托臺(tái)、托臺(tái)旋轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)以及裝載危險(xiǎn)原材料的6 個(gè)桶等部件組成。運(yùn)送車能在原材料的裝載和卸載地點(diǎn)之間進(jìn)行前進(jìn)-后退，車上托臺(tái)由分度機(jī)構(gòu)控制可每次旋轉(zhuǎn)60°。分度機(jī)構(gòu)由托臺(tái)、定位銷、定位氣缸、分度氣缸、分度棘齒裝置等構(gòu)成，它的任務(wù)就是在機(jī)械手每完成一次桶的卸載后，驅(qū)動(dòng)托臺(tái)旋轉(zhuǎn)60°，將下一個(gè)桶轉(zhuǎn)至機(jī)械手抓取的位置，以讓機(jī)械手依次卸載各桶。機(jī)械手由爪、腕、臂、腰和底座構(gòu)成，爪能抓攏和釋放，腕能翻轉(zhuǎn)和復(fù)位，臂能伸縮，腰能升降，以及底座能擺轉(zhuǎn)、復(fù)位。由于被卸載的原材料可能是易燃易爆的，所以抓取和搬運(yùn)桶的過程必須順暢而且力度適中。爪是一個(gè)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)可抓取并帶真空吸盤的裝置，抓取材料桶時(shí)，爪能抓攏桶，并通過吸盤負(fù)壓吸附住桶，而釋放材料桶時(shí)，動(dòng)作相反[3-4]。

3 氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)是由氣源裝置，氣動(dòng)二連件、電磁閥，氣缸，吸盤和馬達(dá)等組成的回路。氣動(dòng)控制原理圖如圖2所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)的目的是通過控制氣動(dòng)系統(tǒng)中各電磁閥來控制氣動(dòng)馬達(dá)、吸盤和氣缸，使機(jī)械裝置完成設(shè)定的操作循環(huán)。動(dòng)作順序是：首先，運(yùn)送車將裝有危險(xiǎn)性原材料的桶從裝載位置送到機(jī)械手的抓取位置。然后機(jī)械手臂伸出，機(jī)械手爪抓住桶并通過負(fù)壓吸附住桶，然后機(jī)械手的腰升高120 mm 而使桶被拿離車子的托臺(tái)，機(jī)械手的底座旋轉(zhuǎn)120°，將桶擺轉(zhuǎn)移到要卸載材料位置的上方，然后機(jī)械手的腕翻轉(zhuǎn)過180°將材料緩慢地倒出并停頓2 秒鐘。然后，手腕、底座、腰部依次翻轉(zhuǎn)、擺轉(zhuǎn)、下降復(fù)位到平臺(tái)上方，然后氣體也被注入到吸盤與桶之間，爪松開將空桶放回車上的托臺(tái)上，機(jī)械手縮回。這時(shí)機(jī)械手已經(jīng)完成了一個(gè)卸載動(dòng)作。接著運(yùn)送車的定位銷落下，分度機(jī)構(gòu)動(dòng)作，下一桶被旋轉(zhuǎn)到機(jī)械手抓取位置開始新一輪的搬運(yùn)。每次材料輸送循環(huán)包括機(jī)械手的6 次卸載動(dòng)作和運(yùn)送車的5 次分度旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。過程如圖3 所示。整個(gè)循環(huán)可以設(shè)置為自動(dòng)連續(xù)操作，也可以是人工單步操作。循環(huán)的動(dòng)作順序也可以根據(jù)需要修改。

圖2 系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖

圖3 自動(dòng)輸送系統(tǒng)的動(dòng)作順序圖

4.2 控制系統(tǒng)硬件

圖4 自動(dòng)輸送系統(tǒng)中PLC的I/O分配圖

控制系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)為主-從模式，即IPC-PLC。PLC 需24 個(gè)輸入點(diǎn)，23 個(gè)輸出點(diǎn)，三菱的FX2n-48MR型號(hào)的PLC可以滿足要求。

自動(dòng)輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PLC 的輸入輸出分配如圖4所示。

4.3 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)的軟件部分主要有3部分，包括IPC中的主程序、IPC與PLC內(nèi)部的通訊程序和PLC內(nèi)部自動(dòng)輸送控制程序。IPC 中的程序又包括監(jiān)視程序，參數(shù)修改程序，錯(cuò)誤診斷程序，數(shù)據(jù)管理程序以及與PLC 的通訊程序等。通過交互界面，用戶不僅可以給系統(tǒng)發(fā)出指令，并能夠監(jiān)視自動(dòng)輸送系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)。其中一個(gè)人機(jī)交互界面在IPC中如圖5所示。

圖5 自動(dòng)輸送系統(tǒng)單步操作界面

PLC 程序包括三部分，包括人工單步程序、自動(dòng)輸送程序，以及與主機(jī)的通訊程序。自動(dòng)輸送系統(tǒng)的順序功能圖如圖6所示。

5 結(jié)語

自動(dòng)輸送系統(tǒng)有兩種工作方式：連續(xù)操作和單步操作。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)原材料的自動(dòng)輸送，提高了安全性、工作效率，而降低了危險(xiǎn)性。所介紹的自動(dòng)輸送系統(tǒng)能夠完成預(yù)定的工作，并能被遠(yuǎn)程監(jiān)控，由于其基于PLC 開發(fā)，具有實(shí)用性和廣泛應(yīng)用性。

圖6 自動(dòng)輸送系統(tǒng)的PLC順序功能圖

［1］徐英，曲波.基于可編程控制器的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電工電氣，2011（3）：24-26.

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