基于PLC氣動式機械手控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)

袁清珂，趙 沖，林立仁

(1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006；2.東莞艾爾發(fā)自動化機械有限公司，廣東東莞 523759)

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基于PLC氣動式機械手控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)

袁清珂1，趙 沖1，林立仁2

(1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006；2.東莞艾爾發(fā)自動化機械有限公司，廣東東莞 523759)

為了開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活的注塑機取模機械手，文中簡述了基于PLC氣動式機械手的結(jié)構(gòu)和控制要求，建立了氣缸驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的原理圖，分析了PLC的輸入/輸出信號和型號，設計了PLC控制系統(tǒng)接線圖、控制程序和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。機械手利用雙電控電磁閥進行氣路轉(zhuǎn)換優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，依靠PLC進行控制提高了靈活性，采用非接觸式傳感器接收信號實現(xiàn)了遠程控制。

機械手；PLC；氣動；電磁閥；傳感器

0 引言

機械手和注塑機的配套使用能實現(xiàn)注塑生產(chǎn)智能化[1]，但取模機械手若采用繼電器作為控制核心，經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)誤操作、失靈、撞壞設備等情形。

為了提高注塑機取件機械手的穩(wěn)定性，本文利用擴展方便的PLC代替繼電器，結(jié)合速度快的氣缸驅(qū)動技術(shù)，設計了氣壓驅(qū)動系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，對提高工業(yè)自動化程度具有積極意義。

1 機械手的結(jié)構(gòu)和控制要求

在氣缸的帶動下，手臂終端可在3個坐標內(nèi)工作。系統(tǒng)主要是控制雙電控電磁閥線圈的通電狀態(tài)來驅(qū)動氣動元件，改變氣壓回路中換向閥的工作位置來使氣流按要求流動[1-2]，向控制系統(tǒng)發(fā)送規(guī)定的開關(guān)信號來控制機械手。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械手的結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合注塑機開模、合模等工作過程，在氣缸的驅(qū)動下，機械手的控制要求如下：

(1)選擇自動模式時，按下開始開關(guān)，待注塑機開模后，電磁閥(線圈A1)通電，手臂下降到吸盤和注塑件剛好接觸的高度，至下降近接開關(guān)動作。

(2)電磁閥(線圈C1)通電，在吸盤和帶有平面的注塑件之間產(chǎn)生負壓，吸盤吸住注塑件，至吸氣近接開關(guān)動作[2]。

(3)電磁閥(線圈A2)通電，手臂上升，至上升近接開關(guān)動作。

(4)電磁閥(線圈B1)通電，引拔前進，至前進近接開關(guān)動作。

(5)電磁閥(線圈D1)通電，手臂和引拔整體旋出，至旋出近接開關(guān)動作。

(6)電磁閥(線圈A1)通電，手臂與地面呈一定角度下降，至下降近接開關(guān)動作。

(7)電磁閥(線圈C2)通電，注塑件和吸盤之間的氣壓恢復正常值，吸盤放下注塑件，至放氣近接開關(guān)動作。

(8)電磁閥(線圈A2)通電，手臂上升，至上升近接開關(guān)動作。

(9)電磁閥(線圈D2)通電，手臂和引拔整體旋入，至旋入近接開關(guān)動作。

(10 )電磁閥(線圈B2)通電，引拔后退，至后退近接開關(guān)動作。完成一次循環(huán)后等待注塑機開模，重復以上過程。

(11)按下停止按鈕或斷電，當前步驟中的機械手，在重新啟動之前將停止工作。

(12)能夠切換為手動模式，按下對應的開關(guān)，機械手根據(jù)命令執(zhí)行相應的動作，也可以根據(jù)工藝流程自動運行。

自動控制的動作流程：注塑機開模，手臂下降→吸盤取物→手臂上升→引拔前進→手臂和引拔旋出→手臂下降→吸盤放物→手臂上升→手臂和引拔旋入→引拔后退,等待注塑機再次開模。

2 氣動系統(tǒng)設計

按照機械手的移動軌跡和電磁閥、氣缸的工作原理，在氣缸驅(qū)動過程中，采用4個雙電控電磁閥來掌控3個氣缸和1個負壓發(fā)生器。此外，各氣路配置了節(jié)流閥，可以調(diào)節(jié)速度。在手動狀態(tài)下，按下相應的按鈕，控制相應氣缸和負壓發(fā)生器的電磁閥上電，在氣缸的驅(qū)動和吸盤的執(zhí)行下，機械手開始工作。把負壓發(fā)生器與氣吸盤串聯(lián)在一起，當有高壓氣體通過負壓發(fā)生器時，氣吸盤呈現(xiàn)負壓并吸起物品[2-3]。為了減緩手臂上下運行時機臺的晃動，使用上下緩沖氣缸做緩沖。氣動原理圖如圖2所示。

圖2 氣動原理圖

3 機械手控制系統(tǒng)的構(gòu)成與設計開發(fā)

3.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

該控制系統(tǒng)由以下模塊組成：PLC控制器、I/O接線端子、數(shù)據(jù)傳輸電纜、按鈕開關(guān)、近接開關(guān)。控制器(PLC)通過控制執(zhí)行機構(gòu)(電磁閥)來使驅(qū)動模塊[3](氣缸和負壓發(fā)生器)按照指令運動，從而導致運動機構(gòu)(手臂和吸盤)的工作，同時接收裝在機械手機身上的傳感器(近接開關(guān))反饋回來的信號，以此監(jiān)測機械手的運動情況。PLC控制原理框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

3.2 確定PLC的 I/O點個數(shù)

通過對PLC和動作過程進行研究，總結(jié)出需將如下信號傳輸給它：8個開關(guān)“按鈕X“信號，這是控制機械手運動要用到的。8個近接開關(guān)“確認X”信號，分別用來檢測機械手的運動狀態(tài)并反饋給PLC。此外，考慮到控制體系的需求，還要3個按鈕信號依次為：“開始”、“重啟”和“位置”，1個“停止”按鈕信號用來結(jié)束工作，1個選擇運行方式的“自動/手動”旋動開關(guān)，1個“回原點”按鈕。

PLC需要輸出如下信號:控制3個氣缸和1個負壓發(fā)生器的4個雙電控電磁閥需要8個“輸出Y”動作信號。3個用于說明機器“開始”、“重啟”和“位置”的工作狀況燈。因此采用輸入點數(shù)目≥22、輸出點數(shù)目≥11的PLC。

3.3 PLC型號的選擇

基于以上剖析，選取輸入點數(shù)目不少于22，輸出點數(shù)量超過11，由西門子生產(chǎn)的S7-300 PLC及2個SM323 輸入/輸出擴展塊[3-4]。該系統(tǒng)總共有22個輸入點、16個輸出點，48 KB內(nèi)存，64個計數(shù)器以及128個定時器。PLC和有關(guān)信號的系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)接線圖

3.4 PLC的程序設計

運用模塊化設計，把機械手控制程序分為：公共程序、手動程序和自動程序。根據(jù)動作要求，設計出機械手運行時的程序，整機系統(tǒng)的原始情形通過IST指令[4]來控制，當達到IST指令的運行要求時，為初始狀態(tài)繼電器(S0、S1、S2)和特殊輔助繼電器的(M8040、M8041、M8042、M8043)分配以下功能：

(1)S0，手動模式的最初狀態(tài)繼電器;

(2)S1，回歸初始狀態(tài)的繼電器;

(3)S2，自動模式的最初狀態(tài)繼電器;

(4)M8040，防止轉(zhuǎn)變，當導通線圈后，保持一切動作不變;

(5)M8041，開始轉(zhuǎn)變，當線圈導通，容許狀態(tài)由開始發(fā)生轉(zhuǎn)變;

(6)M8042，啟動脈沖[5]，在按下開始開關(guān)的一剎那發(fā)揮作用;

(7)M8043，回歸到初始狀態(tài);

(8)M8044，初始狀態(tài)前提，當整機位于原點位置時，線圈會導通。

回歸原始狀態(tài)模式：按下回原點開關(guān)X11,使整機處在上升、后退、旋入、吸盤放氣狀態(tài)，相應近接開關(guān)導通。

手動模式不必按工序順序動作，當普通繼電器程序來設計。機械手可實現(xiàn)以下8個動作:“手臂下降”、“吸盤吸氣”、“手臂上升”、“引拔前進”、“旋出”、“吸盤放氣”、“旋入”、“引拔后退”，分別用與X16、X14、X17、X22、X20、X15、X21、X23相對應的按鈕控制。手動模式的程序如圖5所示。

圖5 手動模式程序圖

自動模式采用順序功能圖[6-7]來設計程序，說明動作的順序和狀態(tài)變化條件，方框代表“工步”，鄰近兩“工步”用線段連接，代表變化的方向，橫線代表變化的條件。當變化條件允許，則程序由前一“工步”運動到后一“工步”，順序功能圖能轉(zhuǎn)化為梯形圖程序。自動模式之前，按下回原點開關(guān)X11,使整機在初始位置。按開始開關(guān)使X18導通，狀態(tài)變?yōu)镾20。輸出信號Y3，線圈A1通電，上下氣缸驅(qū)使手臂下行，當靠近下極限時下近接開關(guān)X4導通，狀態(tài)變?yōu)镾21，S20自行回到剛才的狀態(tài)。流程為先輸出相應的信號，對應電磁閥其中一個線圈通電，然后特定氣缸發(fā)生動作，至近接開關(guān)導通，最后運行狀態(tài)變化，一直運動到狀態(tài)S29，自動運行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。

圖6 自動運行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4 結(jié)束語

該機械手的驅(qū)動方式采用氣缸式驅(qū)動，保證速度的同時，因吸盤與物件接觸柔和，避免了對精密件、熱塑件的損壞。而空氣介質(zhì)來源豐富，減小了開發(fā)成本，降低了維護難度。

該機械手的控制系統(tǒng)采用PLC，克服了繼電器接線固定、不便擴充的缺點，而軟觸點取代硬觸點，提高了可靠性。通過軟件編程實現(xiàn)控制功能，提高了控制系統(tǒng)的靈活性。執(zhí)行器采用雙電控電磁閥，通過調(diào)節(jié)空氣的方向和速度，提高了控制的精度。

[1] 蔣浩.基于PLC的工業(yè)機械手運動控制系統(tǒng)設計:[學位論文]. 南京:南京信息工程大學，2012.

[2] 李晨魁.基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計.煤礦機械，2012(10)：147-148.

[3] 董晨晨.基于PLC控制的機械手組態(tài)環(huán)境研究.輕工機械, 2013(6)：51-53.

[4] 張萍萍.基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計:[學位論文]. 成都:電子科技大學,2013.

[5] ZHOU B Q．The building of distributed automation control systems based on PLC programming and extends IEC 61131 standard.EN，2012，6(14):322-331.

[6] 安愛琴，叢曉霞，逄明華.基于PLC自動定尺寸切斷機系統(tǒng)設計.煤礦機械，2013，34(3)：173-175.

[7] 楊振聲.工業(yè)機械手控制系統(tǒng)硬件設計:[學位論文]. 西安:西安電子科技大學,2014.

[8] 王月芹.基于PLC 機械手控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn).機電產(chǎn)品創(chuàng)新與開發(fā)，2011(5)：149-150.

Design and Development of Control System for Pneumatic Manipulator Based on PLC

YUAN Qing-ke1，ZHAO Chong1，LIN Li-ren2

(1.College of Chanical and Electrical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China； 2.Dongguan Alfa Automation Machinery Limited,Dongguan 523759,China)

In order to develop a simple and flexible manipulator uesd for injection molding machine,the composition and control requirements of the pneumatic manipulator based on PLC was expounded,principle figure of cylinder drive system and control system was established,input and output signal and type of PLC were analyzed,wiring figure,control program and state transition figure of the PLC control system were designed. The manipulator uses solenoid valve for gas path conversion to optimize structure,improves the flexibility of the control system by the PLC,and receives signal with the noncontact sensor to realize remote control.

manipulator;PLC;pneumatic;solenoid valve;sensor

廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)LED項目(2012A080303002)；廣東省數(shù)控一代項目(2012B011300009)；廣東省產(chǎn)學研項目(2013B090600019)；東莞市產(chǎn)學研項目(2014509119201)

2015-01-05 收修改稿日期：2015-06-05

TH6

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1002-1841(2015)11-0059-03

袁清珂(1963—)，教授，從事產(chǎn)品開發(fā)、機電一體化、企業(yè)信息化等科研教學工作。E-mail：335151263@qq.com