基于PLC的氣動搬運機械手控制系統的設計

張君艷

0 引言

機械手是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，由于它可代替人在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中進行正常的工作，所以廣泛應用在化工、機械制造、電子生產、冶金以及輕工業(yè)等部門[1]。在工業(yè)自動化生產中，無論是單機還是組合機床，以及自動生產流水線，都要用到機械手來完成工件的取放，對機械手的控制主要是位置識別、運動方向控制和物料是否存在的判別。然而搬運機械手的種類很多，按驅動方式可分為液壓式、電動式、氣動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。由于氣動搬運機械手無環(huán)境污染，其開發(fā)和設計越來越被人們所關注，氣動搬運機械手最核心的部分是執(zhí)行系統和控制系統，執(zhí)行機構利用電氣動系統來驅動實現，控制系統通過三菱PLC編程來實現預期的作業(yè)任務，這里介紹基于三菱PLC的氣動搬運機械手的控制系統設計。

1 氣動搬運機械手的工作原理

圖1 搬運機械手結構圖

氣動搬運機械手的結構如圖1所示，由機械手指、機械手臂、懸臂，旋轉氣缸等部分組成。機械手的終端是一個氣動手指，其夾緊和放松由一個兩位五通雙控電磁換向閥來驅動實現，工件的夾緊與否是通過壓力傳感器來進行判斷。氣動手指安裝在機械手臂上，機械手臂為單個活塞桿的雙作用直線氣缸來實現機械手臂的上升和下降，手臂由兩位五通的雙控電磁換向閥來驅動實現，上升和下降的極限位置分別由安裝在氣缸上的磁感應傳感器來檢測；機械手臂由連接件安裝在機械懸臂上，懸臂是雙活塞桿的雙作用直線氣缸，其通過兩位五通的雙控電磁換向閥來驅動實現，懸臂的伸出和回縮極限位分別由嵌在氣缸卡槽內的磁感應傳感器來檢測；懸臂安裝在旋轉氣缸的輸出軸上，由旋轉氣缸來帶動機械手的旋轉，為了滿足機械手可實現任一旋轉工作位的停止，采用了一個三位五通的雙控電磁換向閥（中位機能為0型）來驅動；從而可以控制機械手的多個旋轉工作位，旋轉的極限位由兩個電感式傳感器來判斷，旋轉運動由阻擋器來進行緩沖處理，防止機械臂旋轉過程中產生剛性碰撞。整個氣動搬運機械手通過采用壓縮空氣作為傳動介質，可以完成機械手的旋轉、機械手懸臂的伸出和回縮、機械手臂的上升和下降、機械手指的夾緊和松開等多個自由度的運動[2]。其氣動回路圖參見圖2所示。系統所需要的工作氣壓靠氣動三聯件控制在0.6～0.8 MPa之間。

圖2 機械手氣動回路圖

2 PLC控制系統設計

2.1 控制元件選型

根據氣動搬運機械手實現功能和控制系統的要求，機械手輸入采集信號為10個，再加上開關控制信號2個，共12個輸入信號；線圈的驅動信號為8個，共8個輸出信號，根據輸入和輸出信號以及考慮預留量，選用三菱FX2N-32MR的PLC，繼電器輸出形式。又因為氣動搬運機械手控制系統要求精確定位，故采用德國FESTO公司的氣缸（帶有位移傳感器），三位五通雙控電磁閥型號為CPE10-M1BH-5/3G，兩位五通雙控電磁閥型號為CPE10-M1BH-5J[3]。

2.2 PLC輸入輸出地址表和電氣原理圖

氣動搬運機械手的裝置保護電路為起保停自鎖控制電路，如果系統出現緊急故障，只要按下急停蘑菇頭按鈕就可以切斷整個機械手的電源，此保護回路與PLC的電氣原理圖分開設計，這里不再詳述。根據氣動搬運機械手的結構和氣動回路原理圖中四個電磁閥和氣缸的檢測信號分析繪制輸入輸出地址表如下，參見表1。根據輸入和輸出地址表進行PLC電氣原理圖的設計，PLC電氣原理圖參見圖3所示。

表1 搬運機械手PLC輸入和輸出地址表

圖3 PLC電氣原理圖

2.3 PLC編程設計

由于PLC編程指令非常強大，功能指令很多，在編程設計時，編寫程序比較容易，非常方便實現較復雜的控制系統[4]；PLC的編程方法有很多種，本文采用三菱PLC的Gx軟件進行程序設計。在設計程序之前要先根據氣動搬運機械手的控制要求編寫工藝流程圖，參見圖4。氣動搬運機械手編程設計包含設計系統的安全保護程序，系統的初始化程序[5]，系統復位程序，氣動搬運機械手的模式選擇程序，氣動搬運機械手的控制順序程序等部分，其中系統的初始化程序是氣動搬運機械手動作之前必須滿足初始化條件，即旋轉氣缸旋轉到工件被搬運點，懸臂氣缸回縮到位，手臂氣缸上升到位和手指氣缸放松到位；氣動搬運機械手的模式選擇分為點動調試控制、單周期運行模式和循環(huán)模式（含暫停和完全停止控制），氣動搬運機械手的控制順序程序為主程序，主程序是實現將工件從指定的地點搬運到需要的地點進行加工或分揀，按照工藝流程圖的要求利用步進指令來編寫完成[6]。

圖4 氣動搬運機械手工藝流程圖

2.4 氣動搬運機械手安裝與調試驗證

氣動搬運機械手安裝完畢以后，在進行電氣控制系統調試操作前需要進行操作如下：（1）電源控制柜內的總空氣開關打到ON；氣動搬運機械手的急停保護按鈕旋開；（2）確認空壓站系統氣壓已達到6 MPa以上且穩(wěn)定；保證系統所需要的工作氣壓靠氣動三聯件控制在0.6～0.8MPa之間，安全保護裝置的緊急停止電路處于解除狀態(tài)；（3）先選擇點動調試，依次按下點動按鈕，分別對每個氣缸按照動作順序進行單獨調試；（4）點動調試結束后，進行單周期調試，無任何故障，連續(xù)順序動作的調試無故障。如果系統中有故障現象，上電成功后先按一下“異常復位”按鈕，當整體不存在異常時，設備按照工藝運行，調試完成。注意若發(fā)生任一故障，必須等故障排除之后，重新按下“復位”按鈕，程序才能將故障信號解除，否則系統仍然不能啟動。

3 結論

氣動搬運機械手被稱為“工業(yè)機械手”，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用[7]?；赑LC的氣動搬運機械手通過安裝與調試驗證控制系統設計合理，方案可行，實物結構具有結構簡單、運動平穩(wěn)可靠、性價比高、易于控制和維護等優(yōu)點，實踐過程中，機械手具有可以模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作等很多優(yōu)點，既減輕了工人的勞動強度，又節(jié)約了人力資源，實用性較高，用途廣泛[8]；將其應用在自動生產線和柔性化生產中，不僅可以提高生產的自動化水平和勞動生產率，而且可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產等，應用前景非常大。