基于PLC的焊接機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：機(jī)械手是一種高科技自動(dòng)化裝置，在先進(jìn)制造領(lǐng)域中機(jī)械手的應(yīng)用極其廣泛。文章設(shè)計(jì)了PLC控制的焊接機(jī)械手控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在同一平面內(nèi)X軸與Y軸兩個(gè)方向的直線焊接以及在同一平面內(nèi)的圓弧焊接功能。利用機(jī)械手控制系統(tǒng)焊接加工自動(dòng)化，大大地提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：PLC；焊接機(jī)械手；控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）14-0016-02

隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械手在很多環(huán)境下能準(zhǔn)確完成預(yù)期的工作并能模擬人的適應(yīng)性，這使得機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。焊接是裝備制造業(yè)中最為常用的加工方法之一，由于焊接加工產(chǎn)生的煙氣與火花使得工作環(huán)境比較惡劣，為了盡量減少環(huán)境條件對(duì)人身造成的傷害，設(shè)計(jì)了一種PLC控制的焊接機(jī)械手，專(zhuān)用于某建筑機(jī)械廠塔吊構(gòu)件的焊接加工，提高了焊接車(chē)間自動(dòng)化程度，減少了環(huán)境對(duì)人體的傷害。該焊接機(jī)械手因具有作用靈活方便與價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)具有較好應(yīng)用價(jià)值。

1 機(jī)械手的現(xiàn)狀和發(fā)展

因機(jī)械手能夠在有毒、有害、危險(xiǎn)、高熱和低溫等惡劣條件中的工作進(jìn)行替代，對(duì)人的一些單調(diào)重復(fù)、繁重勞動(dòng)進(jìn)行代替，從而大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量。我國(guó)機(jī)械手的應(yīng)用是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始的，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，機(jī)械加工、焊接、裝配、上下料、搬運(yùn)及噴漆、醫(yī)療等行業(yè)均有機(jī)械手的應(yīng)用。目前主要集中在制造業(yè)，尤其是通用機(jī)械、汽車(chē)、電器制造以及加工金屬和塑料等工業(yè)。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和柔性制造系統(tǒng)的構(gòu)成，使生產(chǎn)自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)。

隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的持續(xù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、激光技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)器人的智能水平及機(jī)械手的發(fā)展領(lǐng)域都得到了極大的提高和擴(kuò)展，眾多領(lǐng)域越來(lái)越離不開(kāi)機(jī)械手。隨著機(jī)械手的性能、質(zhì)量的加強(qiáng)，其已由傳統(tǒng)的汽車(chē)制造領(lǐng)域向外進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，高質(zhì)量的機(jī)械手與較低的運(yùn)行成本，必將使機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域中得到極為廣泛的應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)選擇PLC機(jī)型的原則

2.1 滿足控制功能的要求

PLC在控制功能方面主要考慮的是邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能要求，是否要有模擬量的輸入與輸出功能要求，在考慮輸入與輸出點(diǎn)數(shù)的要求時(shí)應(yīng)該留有余量以備用。另外還要考慮是用晶體管輸出型還用繼電器輸出型，是否要具備網(wǎng)絡(luò)通信功能等。

2.2 安裝方式要適合

PLC多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的分布式、遠(yuǎn)程I/O式、集中式是安裝PLC系統(tǒng)的三種方式。

對(duì)于大型系統(tǒng)來(lái)講，遠(yuǎn)程I/O式是一種比較適合的方式，它具有分布范圍廣的特點(diǎn)，遠(yuǎn)程I/O可以在現(xiàn)場(chǎng)裝置附近分散安裝，它不需要太長(zhǎng)的連線，然而遠(yuǎn)程I/O電源和驅(qū)動(dòng)器需要加以增加設(shè)置；不需要對(duì)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程I/O硬件進(jìn)行設(shè)置的是集中式，這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是具有快捷的反應(yīng)、低廉的成本；多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式常常適合應(yīng)用于多臺(tái)設(shè)備之間相互聯(lián)系，但又能夠各自獨(dú)立進(jìn)行控制的場(chǎng)合。

降低成本對(duì)于工廠小批量生產(chǎn)是非常重要的，所以集中式的安裝方式是此系統(tǒng)的較好選擇。

2.3 結(jié)構(gòu)型式要合理

整體式和模塊式是主要的兩種PLC的結(jié)構(gòu)型式：

在平均價(jià)格上每一個(gè)在PLC整體式上的I/O點(diǎn)與模塊式比較要低很多，而且它還有另外一個(gè)特點(diǎn)，就是它的體積較小，通常在小型控制系統(tǒng)中大為推廣；而PLC模塊式具有非常優(yōu)越的功能特點(diǎn)，它在進(jìn)行擴(kuò)展的時(shí)候靈活方便，具有較大的選擇余地，且維修起來(lái)非常方便，在紛亂繁瑣的控制系統(tǒng)中得以大量應(yīng)用。

3 機(jī)械手控制要求與PLC的選用

考慮到本PLC控制機(jī)械手的特定控制要求，需要實(shí)現(xiàn)同一平面內(nèi)X軸方向與Y軸方向的直線焊接與同一平面內(nèi)的圓弧焊接功能。輸入主要有X軸方向焊接選擇、Y軸方向焊接選擇、圓弧焊接選擇、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、限位開(kāi)關(guān)與位置檢測(cè)傳感器，輸出主要通過(guò)中間繼電器隔離后再控制電磁閥驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的各個(gè)氣缸運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)中用五個(gè)氣缸分別用于機(jī)械手的X軸方向移動(dòng)、Y軸方向移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)行、機(jī)械手升降移動(dòng)、手爪夾緊控制。根據(jù)機(jī)械手的控制要求及PLC的性能特點(diǎn)，選擇西門(mén)S7-200 PLC，CPU為226AC/DC/RLY，有24點(diǎn)輸入與16點(diǎn)繼電器輸出即可滿足控制要求。

4 氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手的控制要求，五個(gè)氣動(dòng)缸的氣動(dòng)控制回路如圖1所示，在每個(gè)氣缸的進(jìn)氣與出氣管均安裝有節(jié)流閥，可調(diào)整氣流的大小，達(dá)到氣缸移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)

作用。

5 PLC的I/O地址分配

根據(jù)機(jī)械手輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，為了方便PLC的外部接線及程序設(shè)計(jì)，將PLC的I/O地址分配如表1所示：

6 PLC外部接線圖

根據(jù)PLC的I/O地址分配表，設(shè)計(jì)如圖2所示的PLC外部接線圖：

7 程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

焊接機(jī)械手的程序設(shè)計(jì)思路，首先是檢測(cè)機(jī)械手是否在原點(diǎn)位置，正常則常亮，否則故障指示燈按1Hz頻率閃爍。然后根據(jù)X軸焊、Y軸焊、圓弧焊的選擇情況，按下啟動(dòng)按鈕即進(jìn)行焊接加工，按下停止按鈕時(shí)暫停焊接，再次按下啟動(dòng)時(shí)接著焊接，直到焊接完成為止。在加工過(guò)程中按下急停按鈕，機(jī)械手立即停止，自動(dòng)反回原點(diǎn)位置。由于同一批工件的焊接行程是一致的，在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)先根據(jù)焊接行程調(diào)整好氣缸行程的檢測(cè)傳感器位置然后固定好傳感器。

8 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)焊接機(jī)械手在某建筑機(jī)械廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，本系統(tǒng)控制的焊接機(jī)械手能夠完成預(yù)定的功能，能在惡劣環(huán)境下代替人工操作，大大地提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力成本，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳峰，胡志超.基于PLC的糧食烘干機(jī)燃油爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2010，（2）：71-73.

[2] 呂景泉.自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試（第二版）[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[3] 朱紹勝.基于PLC的車(chē)床液壓回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封，2010，（3）：47-48.

[4] 梁志宏，王懷學(xué).基于PLC的龍門(mén)刨床直流調(diào)速系統(tǒng)改造[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，（33）.

[5] 羅鋒華.西門(mén)子S7-200PLC在除塵設(shè)備改造中的應(yīng)用[J].機(jī)床電器，2010，（2）：46-47.

作者簡(jiǎn)介：謝祥強(qiáng)（1973—），男，廣西岑溪人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程碩士，研究方向：數(shù)控機(jī)床、電氣控制技術(shù)。

（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）