基于PLC的操作手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：在現(xiàn)代化的工業(yè)控制中，通過伺服電機(jī)控制的操作手的運(yùn)用越來越普及，為了能讓教學(xué)更好的與實(shí)際銜接，設(shè)計(jì)了一種教學(xué)用的操作手系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以伺服電機(jī)控制為基礎(chǔ)，以PLC為控制核心、傳感器為檢測元件、氣動(dòng)設(shè)備為驅(qū)動(dòng)力，通過編程可以實(shí)現(xiàn)對操作手的精確控制進(jìn)而完成工件的搬運(yùn)。該系統(tǒng)可以用于獨(dú)立學(xué)科實(shí)驗(yàn)，也可用于綜合性的課程設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī);PLC;氣動(dòng)技術(shù)

前言

操作手和機(jī)械手類似，都是是模仿人手的部分動(dòng)作，按照給定動(dòng)作、軌跡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)的自動(dòng)化控制裝置。隨著機(jī)械手的應(yīng)用不斷普及，在精度、穩(wěn)定性、安全性更高的要求下，通過PLC控制伺服電機(jī)的操作手，在自動(dòng)化工業(yè)的生產(chǎn)加工方面應(yīng)用越來越廣泛。

一、操作手系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要針對具有一定專業(yè)知識之后的專業(yè)課學(xué)習(xí)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有氣動(dòng)機(jī)械爪手、雙桿氣缸、旋轉(zhuǎn)臺、單桿氣缸、磁性開關(guān)、穩(wěn)壓電源、伺服電動(dòng)機(jī)、PLC各模塊、按鈕板、I/O轉(zhuǎn)換端子、電氣網(wǎng)孔板、各種電磁閥組成，可以完成將工件從傳輸線搬運(yùn)到加工檢測單元待料區(qū)工位，待加工檢測完成后再搬運(yùn)至傳送線。

氣動(dòng)機(jī)械手：雙向電磁閥控制，抓緊到位時(shí)，磁性傳感器檢測到位并把信號輸入PLC，完成抓緊工件的動(dòng)作。

雙導(dǎo)桿氣缸：雙向電磁閥控制，一個(gè)信號控制手臂的伸出，一個(gè)信號控制手臂縮回。

回轉(zhuǎn)臺：采用伺服電機(jī)和蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)控制，運(yùn)行穩(wěn)定。

單桿氣缸：單向電磁閥控制，電磁閥得電，氣缸桿伸出，失電之后，氣缸桿縮回。

磁性傳感器：檢測氣缸的伸縮到位情況。氣缸伸縮到位之后，磁性傳感器把檢測到的信號傳到PLC的輸入端。（磁性開關(guān)的藍(lán)線接電源負(fù)極，棕線接PLC的輸入端口）。

開關(guān)電源：為系統(tǒng)提供電源。

I/O轉(zhuǎn)接端子：把PLC的輸入輸出端口轉(zhuǎn)接到各個(gè)傳感器和按鈕的接線端。

控制按鈕板：控制整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)、調(diào)試、停止、復(fù)位、單機(jī)、聯(lián)機(jī)等。

安裝支架：用來安裝各個(gè)氣缸和傳感器。

電氣網(wǎng)孔板：用來安裝PLC各個(gè)模塊、斷路器、繼電器、穩(wěn)壓電源、I/O轉(zhuǎn)換端子、擴(kuò)展端子等。

二、硬件的設(shè)計(jì)

操作手主要完成工件的搬運(yùn)功能，系統(tǒng)開始工作后，操作手手臂伸出，檢測到位后，下降，檢測到位之后執(zhí)行夾緊，然后抬起縮回，到位之后伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后手臂伸出，下降，松開。完成物料的搬運(yùn)過程，每一個(gè)動(dòng)作的前提都是前一個(gè)動(dòng)作到位檢測之后才能執(zhí)行。其中I1.0到I1.5接控制面板上的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)和選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)單元的控制;I0.0到I0.6分別接的是操作手各部位的磁性開關(guān)和限位開關(guān)，用來檢測氣缸伸縮和電機(jī)旋轉(zhuǎn)到位情況;Q0.2到Q0.6分別接電磁閥，通過控制電磁閥得電失電進(jìn)而控制氣缸伸縮加緊松開;Q1.0、Q1.1分別接的控制開關(guān)上的指示燈，起提示操作的作用。I/O分配如表1，外部接線如圖1.

磁性開關(guān)主要檢測氣缸伸縮的到位情況，有兩條線，棕色的接PLC的輸入端口，藍(lán)色的接電源0V，當(dāng)檢測到氣缸的伸縮到位后，給PLC一個(gè)輸入信號。如圖2所示。

限位開關(guān)有兩條接線，棕色的接PLC的輸入端，藍(lán)色接電源0V，當(dāng)操作手或刀具庫旋轉(zhuǎn)到位后，觸動(dòng)開關(guān)閉合，給PLC一個(gè)輸入信號。如圖3所示。

伺服電機(jī)在操作手單元中，控制機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度和方向主要由編寫的程序?qū)崿F(xiàn)，其與PLC的接線有兩端，一端用來控制電機(jī)的方向，一端輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)與PLC接線如圖4所示。脈沖由Q0.0輸入，方向通過Q0.1控制。

伺服單元主要由觸摸屏、RS485接口、電池、接線端子、接線端子、模擬控制器等組成，這里選取alpha 5 smart系列伺服，并對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1、電子齒輪比的設(shè)定

通過正脈沖/反脈沖控制，PA1-03設(shè)置初值為1;通過脈沖數(shù)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，所以設(shè)為電子齒輪比有效，PA1-05設(shè)置初值為0;設(shè)置如表2所示。

伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)1次為4000脈沖時(shí)，PA1_05=4000

直接連接5[mm]的滾珠絲桿，每1脈沖的機(jī)械系統(tǒng)移動(dòng)量為0.001[mm]的情況（18bit）由（5/262144）×（PA1_06/ PA1_07）=1/1000可得知

PA1_05=0

PA1_06=32768

PA1_07=625

2、配合PLC主機(jī)，把驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為脈沖加方向控制模式，1000個(gè)輸入脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，通過伺服電機(jī)控制。驅(qū)動(dòng)設(shè)置如表3所示。

氣動(dòng)元件是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，執(zhí)行的動(dòng)作都是根據(jù)PLC的邏輯控制實(shí)現(xiàn)的。氣缸使用單電控5/2通電磁閥或雙電控5/2通電磁閥進(jìn)行控制。電磁閥線圈接在PLC對應(yīng)的輸出上，通過控制電磁閥線圈的通電與失電，以此控制氣缸的伸和縮。

氣動(dòng)控制回路接線如圖5所示，氣源通過水分濾氣器、壓力煲、手滑閥等通過氣管連接到電磁閥得氣源進(jìn)口，再通過電磁閥得氣動(dòng)接頭連接到各個(gè)氣缸上面。1Y1、1Y2、2Y1、2Y2、都是是控制氣缸的電磁閥，它們分別接入PLC相應(yīng)的輸出口，由PLC控制得電與否。每個(gè)氣缸的前后極限位置分別安裝檢測伸縮到位的磁性傳感器。

各單元的供氣由各單元的過濾減壓閥供給，額定的使用氣壓為600kPa，一般調(diào)至0.5MPa即可正常使用。

三、小結(jié)

設(shè)計(jì)了操作手的硬件結(jié)構(gòu)，PLC與傳感器，伺服電機(jī)燈的外部接線，包括伺服電機(jī)的選型及參數(shù)的設(shè)置一個(gè)完整的操作手系統(tǒng)，使用時(shí)可以通過單純的編程練習(xí)，使操作手按規(guī)定的要求實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)動(dòng)作;也可讓學(xué)生拆裝完成各類綜合性設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邢陽陽. 基于PLC的柔性加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2017.

[2] 邢陽陽.基于PLC的機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)機(jī). 2019（06）， 72-73.

作者簡介：

邢陽陽（1987-），女，漢族，河南，重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，講師，碩士，控制工程.