基于PLC控制的鋼筋網(wǎng)下料機(jī)械手控制系統(tǒng)

張佃平

（寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

基于PLC控制的鋼筋網(wǎng)下料機(jī)械手控制系統(tǒng)

張佃平

（寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

針對(duì)設(shè)計(jì)的焊接鋼筋網(wǎng)下料機(jī)械手，分析下料工作要求和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作要求，給出機(jī)械手的工作流程，繪制控制系統(tǒng)原理圖，利用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。通過(guò)PLC控制可以實(shí)現(xiàn)焊接鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)抓取下料，并且能夠按照生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)多位置準(zhǔn)確碼垛。

鋼筋網(wǎng)；PLC；機(jī)械手；設(shè)計(jì)

0 前言

鋼筋網(wǎng)焊接過(guò)程中，鋼筋網(wǎng)一般由人工完成下料和碼垛作業(yè)，需要專(zhuān)人完成此項(xiàng)工作，成本高、效率低、碼垛不準(zhǔn)確，容易造成搭接焊點(diǎn)的損壞以及意外工傷事故[1-2]。有的鋼筋網(wǎng)焊接設(shè)備上添加了鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)下料裝置，主要以定點(diǎn)落料為主，存在的問(wèn)題是落料高度不能調(diào)整，落料過(guò)程中容易損壞搭接焊點(diǎn)，且只能實(shí)現(xiàn)單工位落料碼垛，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。

本研究針對(duì)鋼筋網(wǎng)焊接過(guò)程中鋼筋網(wǎng)的下料和碼垛自動(dòng)化的需求，以及現(xiàn)有設(shè)備中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套機(jī)械手，利用PLC可以實(shí)現(xiàn)焊接鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)抓取下料，并且能夠按照生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)多位置準(zhǔn)確碼垛。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手機(jī)械部分

機(jī)械手的主要功能：（1）實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)抓??；（2）按照預(yù)定碼垛位置，完成鋼筋網(wǎng)的提升、轉(zhuǎn)運(yùn)、下降和碼垛功能，并且實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置的碼垛。

機(jī)械手機(jī)械部分主要由鋼筋網(wǎng)抓取機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及機(jī)械手整體升降機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手三維如圖1所示。

1.2 機(jī)械手動(dòng)作要求

機(jī)械手主要?jiǎng)幼鞣治觯篜LC接到單張鋼筋網(wǎng)焊接完成信息后，機(jī)械手下降到指定位置，此位置為機(jī)械手抓取動(dòng)作開(kāi)始的初始位置，由網(wǎng)焊機(jī)的工作臺(tái)面確定。機(jī)械手穩(wěn)定后手抓動(dòng)作實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)的抓取，然后機(jī)械手整體提升，帶動(dòng)鋼筋網(wǎng)上升到預(yù)定高度，此高度依據(jù)垛位的高低確定。機(jī)械手和懸臂帶動(dòng)鋼筋網(wǎng)整體旋轉(zhuǎn)，到達(dá)指定垛位穩(wěn)定后機(jī)械手下降，手抓松開(kāi)實(shí)現(xiàn)碼垛，機(jī)械手下降的高度必須保

證碼垛時(shí)不損壞焊點(diǎn)，所以一般要求待碼垛鋼筋網(wǎng)與垛面的高度差小于10 cm。機(jī)械手的主要?jiǎng)幼鞑考约肮τ萌绫?所示。

1—機(jī)架；2—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；3—提升立柱；4—整體提升機(jī)構(gòu)；5—鋼筋網(wǎng)提升機(jī)構(gòu)；6—抓取機(jī)構(gòu)。圖1 機(jī)械手三維模型示意

表1 機(jī)械手的主要?jiǎng)幼鞑考肮τ?/p>

1.3 機(jī)械手碼垛位置說(shuō)明

為了實(shí)現(xiàn)高效碼垛和充分利用車(chē)間位置，圍繞工作臺(tái)設(shè)置三個(gè)垛位。垛位位置與工作位置之間的位置關(guān)系如圖2所示。鋼筋網(wǎng)的焊接方向?yàn)閺挠蚁蜃?，所以機(jī)械手首先對(duì)垛位三進(jìn)行碼垛，達(dá)到規(guī)定要求后，再逐次對(duì)垛位二、垛位一進(jìn)行碼垛。

圖2 垛位分布示意

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)的抓取、提升、轉(zhuǎn)運(yùn)和碼垛等主要操作，并且還要選擇垛位位置。所以控制系統(tǒng)要求[3]：（1）必須保證動(dòng)作的連續(xù)性和銜接性，并能實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定和高效運(yùn)動(dòng)。（2）實(shí)時(shí)性高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好。（3）高可靠性、安全性和穩(wěn)定性。（4）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)間的轉(zhuǎn)換，并具有垛位自識(shí)別功能。

綜合鋼筋網(wǎng)的下料和碼垛要求，并結(jié)合控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 下料機(jī)械手控制系統(tǒng)原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)是在PLC的協(xié)調(diào)控制下完成，調(diào)節(jié)過(guò)程中包括位置跟蹤、傳感器跟蹤雙級(jí)跟蹤調(diào)節(jié)。軟件運(yùn)行流程如圖4所示[4]。

為了實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)的準(zhǔn)確抓取以及不影響焊接過(guò)程，采取兩種方式相結(jié)合來(lái)判定鋼筋網(wǎng)是否焊接結(jié)束。一是通過(guò)光電開(kāi)關(guān)來(lái)判定最后一根鋼筋網(wǎng)上料結(jié)束；二是通過(guò)PLC的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并且根據(jù)鋼筋網(wǎng)的不同規(guī)格實(shí)現(xiàn)可調(diào)。只有這兩個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足，抓手才動(dòng)作抓取鋼筋網(wǎng)。

利用懸臂升程限高的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)垛位的選擇。當(dāng)機(jī)械手碼垛鋼筋網(wǎng)懸臂到達(dá)限位開(kāi)關(guān)位置，此垛位碼垛結(jié)束，下次機(jī)械手將在下一個(gè)垛位開(kāi)始碼垛，以此類(lèi)推。

4 結(jié)論

利用PLC簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋網(wǎng)下料機(jī)械手的自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)的準(zhǔn)確碼垛與多垛位碼垛。程序設(shè)計(jì)具備手動(dòng)和自動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)兩種方式控制，完成鋼筋網(wǎng)的抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)

以及多垛位碼垛，滿(mǎn)足了設(shè)備設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，極大提高了鋼筋網(wǎng)焊機(jī)的自動(dòng)化水平。

圖4 下料機(jī)械手碼垛流程框圖

[1]李亞軍，劉艷明.基于PLC的物流自動(dòng)化包裝線出庫(kù)穿梭車(chē)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014（10）：96-98.

[2]于會(huì)敏，李躍.網(wǎng)焊機(jī)專(zhuān)用機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，17（1）：25-27.

[3]張穎，來(lái)利根.全自動(dòng)電焊機(jī)及其在煤礦的應(yīng)用[J].礦山機(jī)械，2008，36（11）：4-6.

[4]張英華.焊接機(jī)器人工作的設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2014，44（8）：104-106.

Page 36砂輪磨削系統(tǒng)移動(dòng)。

水平進(jìn)給手輪24帶動(dòng)水平進(jìn)給絲杠6旋轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)與水平進(jìn)給螺母7配合運(yùn)動(dòng)，即可帶動(dòng)水平進(jìn)給螺母7與水平進(jìn)給螺母固定架板26與帶輪固定板5、厚帶輪固定板14一起水平移動(dòng)，也就帶動(dòng)垂直進(jìn)給絲杠9、17水平移動(dòng)，進(jìn)而使下面整個(gè)砂輪磨削系統(tǒng)隨之水平移動(dòng)。且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，水平支杠16與水平支撐環(huán)15配合滑動(dòng)，保證水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

3.5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該打磨機(jī)用于工地焊軌底焊筋打磨，無(wú)需手持，勞動(dòng)條件好，效率高，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境；可直接固定在鋼軌上，解決了現(xiàn)有手持式砂輪必須手持操作的問(wèn)題。與其他設(shè)備相比，砂輪厚度增大，效率更高，所需進(jìn)給量小，進(jìn)給無(wú)能運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，更適合現(xiàn)場(chǎng)施工；自動(dòng)化程度高，可加快施工整體進(jìn)度，降低人工成本，且打磨質(zhì)量易控。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要有以下特點(diǎn)：砂輪29厚度尺寸稍大于軌底寬度，只需在垂直和沿鋼軌軸線兩個(gè)方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；固定夾緊裝置采用與鋼軌底部尺寸對(duì)應(yīng)的卡槽（設(shè)在固定夾板4上）；液壓馬達(dá)22輸出軸與砂輪軸間采用彈性聯(lián)軸器連接，結(jié)構(gòu)緊湊，工作效率高；垂直方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用同步帶輪系統(tǒng)，保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性；水平方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)通過(guò)手輪控制絲杠與螺母配合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，易操作；垂直進(jìn)給螺母和水平進(jìn)給螺母的材料選用黃銅。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的主要目的是改變工地焊軌軌底焊筋打磨方式，提高軌底打磨質(zhì)量，改善工作條件，解放部分勞力，提高整體工作效率。生產(chǎn)出的樣機(jī)已經(jīng)試用，操作方便，達(dá)到預(yù)期使用效果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，設(shè)計(jì)在以下方面有所改進(jìn)：

（1）可固定到鋼軌上，無(wú)需人工手持，勞動(dòng)量少，節(jié)約人力。

（2）通過(guò)鎖緊裝置固定到鋼軌上后，啟動(dòng)液壓馬達(dá)，操作手輪、通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工作效率高。

（3）操作簡(jiǎn)單易控。

（4）采用定制厚砂輪，其厚度稍大于軌底寬度，工作時(shí)只需兩個(gè)方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在打磨量相同情況下所需進(jìn)給運(yùn)動(dòng)幅度小，效率高。

參考文獻(xiàn)：

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[3]周丹麥，周世恒，戴虹.一種高精度的鋼軌焊接接頭仿形打磨系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2013，43（12）：49-52.

Design of automatical control system for welded steel fabric unloading manipulator based on PLC

ZHANG Dianping
（School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

After analyzingthe structure ofthe manipulator，and the work requirements，and the workingprocess ofthe manipulator is given，and drawthe principle diagramofthe control system，usingPLCtorealize automatic control.At the end realize the automatical control for the manipulator byPLC.The manipulator can grab the welded steel fabrics automatically，and stack the welded steel fabrics on multi positions.

welded steel fabric；PLC；manipulator；design

TG409

B

1001－2303（2016）09－0045-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.11

2015-10-20；

2016-08-30

張佃平（1981—），男，山東臨沂人，講師，主要從事機(jī)械制造和機(jī)械設(shè)計(jì)的教學(xué)與研究工作。