基于PLC控制的機(jī)械手設(shè)計(jì)

尹盛蓮 國磊

【摘 要】本設(shè)計(jì)采用PLC控制技術(shù)和氣動(dòng)技術(shù)，通過PLC控制器控制電磁閥的順序開啟，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)、控制工件的抓取和卸料，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。應(yīng)用PLC控制機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工序動(dòng)作，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】后定位器機(jī)械手；氣動(dòng)技術(shù)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；PLC控制

一、緒論

日照某公司沖壓車間，現(xiàn)有一臺(tái)xxx型沖床，專門用于生產(chǎn)后定位器部件。目前生產(chǎn)采用手工上料、手工壓緊、沖壓后半手工卸料。這種生產(chǎn)方式導(dǎo)致了該沖壓件的生產(chǎn)質(zhì)量很大程度上取決于操作人員的技術(shù)水平，且存在較大的安全隱患。

根據(jù)山東水利職業(yè)學(xué)院和該公司沖壓車間合作，進(jìn)行后定位器部件彎曲沖壓沖床的自動(dòng)上料技術(shù)改造。解決該沖床的，生產(chǎn)效率低，安全防護(hù)差，人員依賴強(qiáng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全自動(dòng)，高效，安全運(yùn)行的目的。

二、后定位器機(jī)械手系統(tǒng)的總體思路

（一）主要技術(shù)參數(shù)

后定位器機(jī)械手采用光機(jī)電氣一體化技術(shù)，針對(duì)后定位器部件彎曲組裝工序進(jìn)行的技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)工件毛坯的自動(dòng)上料與卸料。通過調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)沖壓機(jī)床的安裝布局，發(fā)現(xiàn)后定位器機(jī)械手的結(jié)構(gòu)除滿足沖床的工作行程外，還要滿足現(xiàn)有的模具空間要求。

后定位器機(jī)械手的主要要求如下：

工件不允許被磁化。

工件表面不允許被劃傷。

保證坯料被放到正確的沖壓位置。

生產(chǎn)效率比目前的手工操作要高。平均19件/分，約為目前純?nèi)斯ど狭喜僮鞯?.46倍。

運(yùn)行安全可靠，能耗低，噪音小，綠色無污染。

實(shí)現(xiàn)后定位器機(jī)械手的自動(dòng)控制。

（二）后定位器機(jī)械手系統(tǒng)整體框架

后定位器機(jī)械手主要由控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)裝置四大部分構(gòu)成。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別是完成工件上料、送料、卸料的帶有接料盒的氣動(dòng)導(dǎo)軌、氣動(dòng)真空吸附機(jī)械手、提升板和推板。本設(shè)計(jì)是由氣壓來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是以PLC為核心的控制器。控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的精度。

綜上所述，機(jī)械手控制系統(tǒng)整體框圖1如下：

（三）后定位器機(jī)械手系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

當(dāng)安裝在沖床上的凸模開始向上運(yùn)動(dòng)做返回行程時(shí)，上料裝置的氣動(dòng)吸盤迅速從帶有送料板的氣動(dòng)導(dǎo)軌上吸取坯料，然后氣動(dòng)裝置，沿雙向?qū)к壙焖龠\(yùn)動(dòng)，通過行程開關(guān)使坯料能夠準(zhǔn)確到達(dá)沖床模具的沖壓位置。吸盤將坯料放到?jīng)_壓模具的凹模上時(shí)，通過六個(gè)定位銷進(jìn)一步定位，并且，吸盤運(yùn)動(dòng)到使坯料接觸凹模上表面后才松開坯料，這樣保證了坯料能夠放平，準(zhǔn)確地定位。在坯料到達(dá)模具沖壓位置之前，安裝在送料裝置前端的卸料裝置已將上一個(gè)已加工好的工件推到卸料槽內(nèi)，工件靠重力滑落到工件箱內(nèi)，自行完成卸料。

系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

1.采用無損、無磁化的柔性多功能真空吸盤抓料手；

2.采用雙軌導(dǎo)向、重力落料的自動(dòng)定位貯料裝置；

3.采用高精度的雙導(dǎo)軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，確保取料、送料和放料的精度；

4.通過取料板上的特制模腔與貯料裝置的準(zhǔn)確配合，實(shí)現(xiàn)料片的連續(xù)、準(zhǔn)確、單一的提取。

5.系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)料片有無報(bào)警裝置，并且可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

（四）后定位器機(jī)械手系統(tǒng)組成

后定位器機(jī)械手主要由機(jī)械機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)兩大部分組成，如圖2所示。機(jī)械機(jī)構(gòu)主要包括取料裝置與卸料裝置，如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)采用PLC技術(shù)，通過自動(dòng)控制裝置，使各種裝置按照一定的順序和時(shí)間間隔發(fā)生動(dòng)作?？刂扑土系臅r(shí)間與沖壓行程之間的滿足規(guī)定的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證一定的生產(chǎn)率和運(yùn)動(dòng)時(shí)間的準(zhǔn)確性，不允許有超前或遲滯現(xiàn)象。

1.上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

后定位器機(jī)械手的送料機(jī)構(gòu)主要由取料裝置與送料裝置組成。其中，取料機(jī)構(gòu)用來完成坯料的單一提取，送料裝置完成坯料的吸取、坯料的輸送與定位工作。取料裝置完成每次從坯料盒中自動(dòng)取下一件坯料，并通過導(dǎo)軌傳動(dòng)和行程開關(guān)的作用，將坯料停放在吸盤的工作位置。然后送料過程開始，通過送料裝置，將坯料準(zhǔn)確輸送到?jīng)_壓工作位置，為沖做好準(zhǔn)備。如圖4所示。

2.取料裝置設(shè)計(jì)方案

取料裝置，主要由氣動(dòng)裝置、坯料盒（貯料裝置）、接料盤、導(dǎo)軌、限位裝置等部分組成。通過取料裝置把料片送到周轉(zhuǎn)工位。

由于料片的不規(guī)則，最終確定了取料裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)。它主要由坯料盒（貯料裝置）和帶接料盤的取料板兩部分組成。

三、PLC控制器的設(shè)計(jì)原則及其選型

（一）PLC的型號(hào)確定

本文中機(jī)械手控制系統(tǒng)選用的是S7—200系列中的CPU224的型號(hào)。該型號(hào)PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出為14入10出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可以很好的滿足本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中的11個(gè)輸入9個(gè)輸出共20個(gè)數(shù)字量的要求。

（二）PLC控制器的I/O點(diǎn)分配

根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作流程分析及PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，可以確定電氣控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配，根據(jù)I/O點(diǎn)分配表可以畫出PLC的外部接線圖如圖6所示。

（三）后定位器機(jī)械手控制程序設(shè)計(jì)

1.控制流程圖設(shè)計(jì)

采用PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，首先要明確機(jī)械手的工作要求和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程發(fā)生改變時(shí)，只需要改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)。按照機(jī)械手的控制要求，合理畫出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)流程。設(shè)定取料板到達(dá)坯料盒下方的位置（進(jìn)行取料的位置）為取料終止位、取料板到達(dá)上料手取料的位置為取料初始位、上料手要進(jìn)行下降吸料的位置為上料初始位、上料手要進(jìn)行下降放料的位置為上料終止位、上料手上升停止的位置為上限位、上料手下降停止的位置為下限位，后定位器機(jī)械手控制主流程圖如圖7所示。

2.PLC程序設(shè)計(jì)

后定位器機(jī)械手控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)如圖8所示，其中包括取料板取料復(fù)位子程序，上料手復(fù)位子程序，上料手送料子程序。

四、結(jié)論

本文綜合利用光機(jī)電氣數(shù)一體化技術(shù)，采用數(shù)字化軟件及虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和PLC控制技術(shù)，完成了后定位器機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。設(shè)計(jì)開發(fā)的后定位器機(jī)械手系統(tǒng)具有技術(shù)含量高，制造成本低，設(shè)備的附加成本低，安全、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。通過后定位器機(jī)械手的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，無需對(duì)現(xiàn)有的車間設(shè)備布局進(jìn)行調(diào)整，無需對(duì)現(xiàn)有的沖壓機(jī)床設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，提高了生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)了沖壓生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，提高了定位精度，降低了企業(yè)制造成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉淑英，張明路，丁成君. 計(jì)及柔性的移動(dòng)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)建?，F(xiàn)狀與展望.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2009（1）.

[2]袁森，肖軍，羅衛(wèi)東. 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).煤礦機(jī)械.2009（5）.

[3]趙美寧，王佳.自動(dòng)供料機(jī)械手的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣，2007，9.

[4]陳志權(quán).基于PLC氣動(dòng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)[J]. 兵工自動(dòng)化，2008（4） ： 83～84.

[5]齊進(jìn)凱.氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及控制的研究[D].上海：東華大學(xué)，2006.

[6]張應(yīng)金.PLC在機(jī)械手搬運(yùn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2008，2.

[7]吉順平，孫承志，路明，等.西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.1.

[8]常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.170～226.

作者簡(jiǎn)介：

尹盛蓮（1979-）女、四川廣安人、碩士研究生、講師、山東水利職業(yè)學(xué)院、主要從事機(jī)電類教學(xué)工作。

國磊（1979-）男、山東淄博人、碩士研究生、講師、山東水利職業(yè)學(xué)院、主要從事機(jī)電類教學(xué)工作。