一種機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

周長根

摘 要：機(jī)械手廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，進(jìn)行高危、高溫、有毒等方面工作，有效提高了產(chǎn)品生產(chǎn)率和精度、節(jié)約了人力成本。本文重點(diǎn)進(jìn)行基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計，對其應(yīng)用和改進(jìn)系統(tǒng)研究具有較大的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。

關(guān)鍵詞：PLC;梯形圖;接觸器;指示燈;機(jī)械手

1 引言

本設(shè)計的主要內(nèi)容是利用PLC設(shè)計一套邏輯控制系統(tǒng)實現(xiàn)機(jī)械手能夠在兩點(diǎn)之間以多種方式將一定重量的鐵制構(gòu)件進(jìn)行搬運(yùn)。針對它，應(yīng)先仔細(xì)分析被控對象的工藝要求，確定合理的控制方案，而后再運(yùn)用可編程序控制器進(jìn)行編程。綜合各方面，我所使用的是經(jīng)驗法和圖解法的結(jié)合，即運(yùn)用自己積累的些許經(jīng)驗知識和搜集別人的“經(jīng)驗”和依靠圖形進(jìn)行PLC程序設(shè)計的結(jié)合。

2 設(shè)計任務(wù)

2.1工作狀態(tài)

（1）機(jī)械手水平方向120度范圍內(nèi)左右可逆運(yùn)動，在垂直方向為上下可逆運(yùn)動，均由直流電動機(jī)驅(qū)動。

（2）機(jī)械手抓取部分為直流電磁鐵，工件由直流電磁鐵直接吸上攜帶。

（3）機(jī)械手左右、上下運(yùn)動的到位信號均由限位開關(guān)給出。

（4）工件的吸起、放下均由時間控制。

2.2 根據(jù)工藝過程分析控制要求

首先，操作人員應(yīng)在專設(shè)的小型控制臺上向機(jī)械手發(fā)出各種控制指令，控制臺面板上設(shè)有相應(yīng)的主令按鈕和信號指示燈。

其次，機(jī)械手的全部動作均由直流電動機(jī)驅(qū)動，而電動機(jī)又由相應(yīng)的按鈕控制。其中上升/下降和左移/右移分別由兩個接觸器線圈控制。例如，當(dāng)下降接觸器通電時，機(jī)械手下降;當(dāng)下降接觸器斷電時，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升接觸器通電時，機(jī)械手才上升。當(dāng)上升接觸器斷電時，機(jī)械手上升停止。同樣左移/右移分別由左行接觸器和右行接觸器控制。機(jī)械手的放松/吸起由一個接觸器線圈（吸起接觸器）控制。當(dāng)該線圈得電時，機(jī)械手吸起工件;該線圈斷電時，機(jī)械手放松。

機(jī)械手的動作動作順序框圖如下圖。

3 總體設(shè)計方案

根據(jù)電氣控制目標(biāo)，采用PLC為核心的電氣控制方案，總體框圖如下：

具體方案為：

（1）兩臺電機(jī)為他勵式直流電動機(jī)，采用橋式二極管控制其電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且都有短路、過載保護(hù)。

（2）直流電磁鐵同樣設(shè)在主電路里，亦有短路和過載保護(hù)。

（3）直流電動機(jī)、直流電磁鐵均采用PLC控制，利用PLC的硬件與軟件的結(jié)合，實現(xiàn)機(jī)械手以不同方式對鐵制構(gòu)件的搬運(yùn)。

4 機(jī)械手電氣設(shè)計步驟

該機(jī)械手的電氣設(shè)計順序如下：

主回路設(shè)計、控制回路設(shè)計——PLC硬件設(shè)置——梯形圖軟件設(shè)計

5 硬件電路設(shè)計

綜上，主電路圖如下：

5.1 綜觀整個設(shè)計，選用直流電動機(jī)的原因是：它的轉(zhuǎn)矩易于控制，具有良好的起、制動性能，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，一直在高性能調(diào)速領(lǐng)域占有絕對的統(tǒng)治地位。

5.2 對于整流裝置，本設(shè)計采用橋式整流，這是因為它與單相半波整流電路相比，它利用了電源的整個周期，因此電源利用率高，輸出的直流成分比較高，輸出波形的脈動小;與單相全波整流電路相比，在整流橋中，二極管承受的電壓為峰值電壓，僅為全波整流電路中管子耐壓的一半，故節(jié)省了購物成本。

5.3 在橋式整流電路中選擇二極管，因為它與晶閘管相比價格便宜、連接線路簡單。

6 PLC硬件配置

根據(jù)機(jī)械手的控制要求，列出該系統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）分配表如下：

從表中可得出該系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)總和為25點(diǎn)，并且全為數(shù)字量輸入、輸出，屬于小型的控制系統(tǒng)。經(jīng)計算各種機(jī)型和方案的投入費(fèi)用，依經(jīng)濟(jì)性原則選擇最優(yōu)方案為日本立石公司的OMRON系列可編程序控制器，型號為：OMRON C28P，其屬于整體式小型PLC，價格便宜，易于操作，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，另外其指令編程器選用P型機(jī)常用的PRO15-E型，它主要由鍵盤和顯示兩大部分構(gòu)成。

7 梯形圖軟件設(shè)計

PLC硬件電路連接完畢后，控制功能的完成還要依靠軟件程序的運(yùn)行。機(jī)械手梯形圖程序設(shè)計的主要任務(wù)是利用直流電動機(jī)的驅(qū)動實現(xiàn)機(jī)械手以四種方式將一定重量的鐵制工件從某工作臺上搬運(yùn)到傳送帶上，并給出相應(yīng)指示，據(jù)此，可以編制整體程序結(jié)構(gòu)為：

本套程序主要采用了內(nèi)部輔助繼電器，移位寄存器及保持繼電器等，以滿足整套程序所需的繼電器觸點(diǎn)的要求。工作方式指示程序、單操作程序設(shè)計均為常規(guī)程序; 自動循環(huán)、單周期和步進(jìn)操作程序需借助移位寄存器實現(xiàn)。上述四種操作組合起來就構(gòu)成了機(jī)械手整個控制過程的梯形圖程序。至此，梯形圖程序設(shè)計完畢。

8 程序調(diào)試說明

一個比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)程序的設(shè)計很難一次成功，需經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和修改才會得到滿意的結(jié)果。

以機(jī)械手PLC控制程序設(shè)計可見，對于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，應(yīng)先設(shè)計出整個控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)框圖，然后分段進(jìn)行設(shè)計，如機(jī)械手控制程序中的手動操作程序和自動操作程序等。每設(shè)計出一段程序，接著就進(jìn)行該程序的調(diào)試，這樣即使程序有問題，也便于分析和修改，待各段程序都設(shè)計、調(diào)試通過后，按整個控制程序的結(jié)構(gòu)框圖將各分段程序進(jìn)行組合，再進(jìn)行組合程序的調(diào)試。這樣下來，整個程序的調(diào)試就很快了。

9 結(jié)語

本文詳細(xì)進(jìn)行了基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計，分析了被控對象的工藝要求，列出了清晰的設(shè)計步驟，確定了合理的控制方案，對機(jī)械手的應(yīng)用和改進(jìn)的系統(tǒng)研究具有較好的借鑒意義和較大的經(jīng)濟(jì)價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈治.基于S7-1200的防水卷材柔性碼垛控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電氣傳動，2019.49（01）.

[2]Michael F. Zaeh，Clemens Poernbacher. Model-driven development of PLC software for machine tools[J]. Production Engineering . 2008.

[3]王琳，肖軍.基于PLC的電梯控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2019，27（02）.

[4]倪駿程.PLC技術(shù)在電氣設(shè)備自動化控制中的應(yīng)用[J].電子制作，2019 （02）.

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