基于PLC主控制器的多工位自動化上卸料機械臂系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：文章研究了基于PLC主控制器的多工位自動化上卸料機械臂系統(tǒng)設(shè)計，對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作流程進行分析，然后分析了機械臂結(jié)構(gòu)與控制要求，最后對機械臂控制系統(tǒng)和程序進行設(shè)計。多工位自動化上卸料機械臂系統(tǒng)具有高效性、安全性、穩(wěn)定性、智能化等特點，在工業(yè)生產(chǎn)加工中進行應(yīng)用將會有較好的效果。

關(guān)鍵詞：PLC主控制器;多工位;自動化;機械臂

中圖分類號：TP242;TP273

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0181-04

隨著工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)給人類的生活帶來了翻天覆地的變化，極大的改善了人類的生活和生產(chǎn)。如今自動化技術(shù)應(yīng)用廣泛，尤其在機械中使用自動化，可以提高效率。機械手臂屬于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中新出現(xiàn)的技術(shù)，具有體積小、動作靈敏、綠色環(huán)保等特點，其主要作用就是配合其他設(shè)備完成工件加工時的自動上卸料，能夠在工業(yè)制造生產(chǎn)中有著非常重要的作用[1-2]。當(dāng)前，機械手臂的應(yīng)用范圍較廣，如鍛造、貨物裝箱流水線、貨物搬運、機械加工等都可以使用機械手臂，從而可以達到降低勞動力、節(jié)約工人成本、提高工作效率的作用，還能夠提高加工生產(chǎn)時的安全性[3-4]。尤其使用機械手臂在易燃易爆、溫度異常、有毒等環(huán)境中進行使用時，可以降低對人類生命健康的影響。

傳統(tǒng)的機械臂在設(shè)計時不具備靈活性，使用的是一個機械臂負(fù)責(zé)一個工位的工作，于是在進行另外一個工序時，此時的機械臂就會處于等待狀態(tài)，所以會降低生產(chǎn)效率，不利于節(jié)能。另外，傳統(tǒng)的機械臂使用的控制器件為繼電器、接觸器和計時器等，這樣的控制方式會影響控制精度。所以傳統(tǒng)的機械臂存在效率不夠高、精度低、智能型不高、穩(wěn)定性差、實時控制困難等問題。于是為了改善這些缺陷，將機械臂的配置方式和控制系統(tǒng)進行改進，使用多工位一機械臂的配置方式，即多工位高效自動上卸料機械臂，從而可以很大程度上提高工作效率提高對資源的利用率[5]。系統(tǒng)以機械臂PLC主控制器為主站，從而提高整個機械臂的生產(chǎn)效率，增強其協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機械臂生產(chǎn)線布置

圖1即為機械臂生產(chǎn)線布置方式，其中主要的結(jié)構(gòu)有機床、上下料器、機械臂和中間傳遞組成，該生產(chǎn)線有四個工位，兩個機床1和2分別對立放置，另外兩個機床3和4也對立放置，這種方式可以節(jié)約場地，增強布局的緊湊性，從而能夠使得機械臂增加自動上卸料效率。

1.2 生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)布局

本文選擇DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進行實時數(shù)據(jù)交換。DeviceNet結(jié)構(gòu)比較簡單，使用DeviceNet有利于降低成本，能夠在本文發(fā)揮良好的應(yīng)用效果，其傳輸率在125Kbitls - 500Kbitls[6]。由于DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)具有較好的應(yīng)用效果，在工業(yè)控制中具有廣泛的應(yīng)用[7-8]。 在生產(chǎn)線上機械臂需要控制好幾臺設(shè)備，為了能夠使之進行協(xié)調(diào)工作，并且實現(xiàn)多工位上卸料、提高工作效果，于是使用臺達系列的工控產(chǎn)品搭建，圖2即為系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)連接圖。從圖中可以看出，該主站的站號設(shè)置為00;兩個從站的站號分別為01和02，其中從站1主要有上下料器l、RTU-DNET和工件傳遞1，從站2主要有上下料器2、RTU-DNET和工件傳遞2。

1.3 機械臂工作流程

在一個工作流程中需要使用到如圖l所示的幾個構(gòu)件。然后機械臂的工作流程為如下所示：

1）機床1完成工作之后，等待在旁邊的機械臂就開始工作;

2）此時機械臂需要完成的工作就是取下機床1中的工件，然后移動機械臂將工件放到傳遞1上;

3）此時機械臂還需要繼續(xù)工作，即從傳遞1處移動到上料1處將需要加工的工件放到機床1上;

4）此時機械臂已經(jīng)完成一個重復(fù)工作，同時機床2處也已經(jīng)處于加工狀態(tài)，并且快要加工好，于是機械臂完成一個重復(fù)動作之后直接去往機床2等待其加工完，然后再完成一個重復(fù)性工作。

2 機械臂結(jié)構(gòu)與控制要求

2.1 機械臂結(jié)構(gòu)

基于PLC主控制器的系統(tǒng)使用的動力設(shè)備為閉環(huán)伺服電機，機械臂的軸在運動時主要是根據(jù)齒輪帶動齒條得到的動力，從而可以使得機械臂在往返的移動過程中具有平穩(wěn)的狀態(tài)，并且移動的距離也非常精確。

本文所設(shè)計的機械臂的結(jié)構(gòu)為四軸聯(lián)動，圖3即為該結(jié)構(gòu)的示意圖，其中有3個不同的方向，X軸使得機械臂實現(xiàn)左右移動，Z軸使得機械臂實現(xiàn)上下移動，另外一個方向使得機械臂實現(xiàn)縱向前后伸縮，在Y軸中需要配有氣動手抓，從而實驗前后伸縮運動，通過這三個方向的共同作用，機械臂可以實現(xiàn)與機床進行配合然后實現(xiàn)夾取工件的任務(wù)。

2.2 機械臂控制要求

本文所研究設(shè)計的系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)多工位自動上卸料的工作目的，其中起主要作用的機械臂需要有良好的控制作用，于是對其控制提出7點要求。

1）機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)整體的上下移動，并且能夠?qū)崿F(xiàn)位置保。

2）機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)整體的左右移動和前后伸縮。

3）機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)多軸聯(lián)動。

4）能夠?qū)C械臂移動的3個方向進行原點位置設(shè)置，并且發(fā)生斷電之后，之前設(shè)置的原點位置不會發(fā)生變化。

5）主站和從站之間能夠進行實時的互相通信。

6）圖3中的4個軸有正反行程極限位置保護。

7）機械臂的關(guān)鍵參數(shù)能夠?qū)崟r的顯示出來，并且能夠調(diào)整相關(guān)參數(shù)，于是能夠得到更加準(zhǔn)確的參數(shù)。

3 機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1控制系統(tǒng)的組成和原點分配

3.1.1 控制系統(tǒng)的組成

在機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計中，電氣設(shè)備控制系統(tǒng)非常重要，直接關(guān)乎著生產(chǎn)加工的效率，而中央控制單元作為電氣設(shè)備控制系統(tǒng)中最重要的組成部分，本文選擇了基于PLC主控制器的多工位自動化上卸料機械臂系統(tǒng)設(shè)計研究。本文研究的控制系統(tǒng)的主要組成部分如圖4所示，其中主要包含9個模塊。

3.1.2原點分配

通過控制系統(tǒng)的功能分析，需要對機械臂PLC的原點進行分配，其分配方式如表1所示。

3.2控制系統(tǒng)主要器件選型

在選擇控制系統(tǒng)的主要器件時，不能僅僅考慮到器件的成本、功能等，還需要考慮到對設(shè)備功能擴充升級和與啊你單分配表點位圖，需要對預(yù)留備用原點，并且原點個數(shù)為總數(shù)的20%，于是選擇主機臺達DVP28SVIIT2，因為這種主機方便擴展，另外將臺達DVP16SNIIT作為輸出擴展模塊，然后將DVP16SMIIN作為輸入擴展模塊。

在系統(tǒng)中主站和從站之間一定要能夠?qū)崿F(xiàn)實時通信，才能實現(xiàn)多工位自動上卸料，于是DeviceNet通信網(wǎng)絡(luò)使用臺達DVPDNET-SL、RTU-DNET與PLC，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的通信效果。為了使系統(tǒng)有更好的智能型和可控制性，加人人機交互，其中使用的人機界面為臺達DOP-BIOS411。

4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

4.1 PLC程序設(shè)計

控制系統(tǒng)中程序設(shè)計屬于核心部分，當(dāng)程序設(shè)置不合理時將會影響系統(tǒng)的運作。本系統(tǒng)選擇自動程序和手動程序相結(jié)合的方式。然而這種方式容易發(fā)生混亂，于是為了系統(tǒng)的安全可靠性，加入了互鎖、自鎖和報警程序。PLC程序在設(shè)計過程中，加上了適當(dāng)?shù)难訒r，從而提高設(shè)備的平穩(wěn)度和精確度。并且還對傳感器進行邏輯處理，從而提高設(shè)備的智能型。當(dāng)出現(xiàn)不符合加工要求時，從而發(fā)出警報并且停機。如圖5所示，該圖主要是機床1和2的流程，而機床3和4的程序流程與之一樣。

4.2人機界面設(shè)計

系統(tǒng)采用人機界面設(shè)計形式，能夠增加系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和精確性。界面采用的觸摸屏界面，使用臺達DOPSoft 2.00.07.02軟件進行開發(fā)。人機界面設(shè)計中需要包含自動操作和手動操作，還需要有伺服電機的位置和參數(shù)設(shè)定、報警信息和傳感器狀態(tài)等模塊，從而可以將各種信息顯示出來，更有利于操作者對其進行掌控。圖6和圖7即為自動界面和參數(shù)設(shè)定界面圖。

4 結(jié)語

基于PLC主控制器、利用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計多工位自動化上卸料機械臂系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一個機械臂負(fù)責(zé)幾個工位的工作目標(biāo)，從而降低機械臂閑置時間，達到節(jié)約資源的作用，并且還提高了生產(chǎn)效率，還能夠提高控制實時性?？傊撓到y(tǒng)具有效率高、智能化、穩(wěn)定性、實用性等優(yōu)勢，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中將會有比較好的效果。

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作者簡介：何克祥（1963-），男，漢族，陜西乾縣人，碩士研究生，副教授，研究方向：機械設(shè)計理論研究及教學(xué)。