一種基于PLC控制的機械手液壓系統(tǒng)設計

葉青青

（天門職業(yè)學院，湖北天門，431700）

1 設計需求

機械手是一種能夠自動抓取和搬運的機械裝置，可根據具體工藝要求完成各類復雜動作。機械手可基本代替人工操作，不僅能夠減少人工成本，還可提升工業(yè)生產效率，從而加快制造業(yè)自動化進程。隨著現代技術的飛速發(fā)展，機械手在制造業(yè)中的作用日漸顯著，已成為制造業(yè)的重要構成[1]。但在具體應用中，普通機械手缺少自動調節(jié)與傳感器反饋能力，難以檢測外部環(huán)境或工作位置的改變情況，易使機械手出現損壞情況[2]。此外，在工業(yè)生產中通常使用氣動機械手，因氣壓傳動輸出功率較小，導致氣動機械手僅能在輸出負載小的工作中使用。鑒于這些問題，擬設計一種基于PLC控制的機械手液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可抓取、搬運并放下物體，且輸出功率大，能夠代替人工勞動，實現生產自動化的目標。通過系統(tǒng)的設計、仿真分析以及測試可知，該系統(tǒng)能夠基本實現自動抓取、搬運以及運行穩(wěn)定等要求，具有顯著的應用價值。

2 系統(tǒng)整體架構設計

本系統(tǒng)可控制機械手進行上升、前伸、抓取、回轉、下降、松開、復位等操作，系統(tǒng)整體包括液壓控制系統(tǒng)、電氣控制回路、軟件、各類傳感器等，本設計采用多個軟件與傳感器對機械手在運行中的位置進行監(jiān)控，具體如圖1所示。

圖1 機械A手液壓系統(tǒng)架構

3 控制系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)機械手采用液壓驅動，通過液壓缸完成機械手臂的收縮、抓取、升降等操作，具體工作形式如圖2所示。根據工作要求，機械部分由手臂的升降、伸縮、回轉等模塊組成，各模塊均由液壓缸來驅動控制。機械手的動作循環(huán)過程為：上升→前伸→抓取→回轉→下降→松開→復位→停止。在機械手液壓系統(tǒng)中，液壓缸的組成包括：回轉—單葉片擺動缸；升降—單缸液壓缸[3]；伸縮—單缸活塞液壓缸；抓取—無桿活塞缸。液壓系統(tǒng)整體設計過程會涉及諸多液壓元件，例如單向閥、控制閥、傳感器、開關等。

圖2 機械手液壓控制系統(tǒng)

■3.1 控制核心選擇與輸入/輸出分配

機械手液壓系統(tǒng)控制核心為PLC，本設計選擇S7-300，并結合設計實際情況對輸入/輸出接口進行分配，具體如表1所示。

表1 輸入/輸出接口分配

■3.2 外部接線

根據S7-300的輸入/輸出接口分配情況及現實工作實際，設計出具體的S7-300外部接線圖，如圖3所示。

圖3 S7—300外部接線圖

■3.3 運動順序

（2）前伸。機械手的前伸由三位四通電磁閥控制，當3YA得電后，三位四通電磁閥右位工作，液壓缸右移動，使機械手做前伸動作。油路連接包括進油路與回油路，進油路流程表示為：液壓源→單向閥→右位電磁閥→液壓缸左腔→液壓缸右移；回油路流程表示為：液壓缸右腔→調速閥→右位電磁閥→油箱[5]。當1YA得電后，二位四通電磁閥右位工作，完成機械手的松開動作，油路連接包括進油路與回油路：進油路流程表示為：液壓源→單向閥→右位電磁閥→液壓缸左腔→液壓缸下移；回油路流程表示為：液壓缸下腔→右位電磁閥→油箱。

表2 機械手動作順序

■3.4 工作流程

（5）松開后復位。當1YA失電后，活塞向下移動，使機械手做松開動作。此時，當6YA得電后，三位四通電磁閥右位工作，機械手開始回轉[6]。機械手復位動作由三位四通電磁閥控制，當2YA得電后，三位四通電磁閥左位工作，液壓缸向左移動，從而讓機械手縮回。油路連接包括進油路與回油路，進油路流程表示為：液壓源→左位電磁閥→調速閥→液壓缸右腔→液壓缸左移；回油路流程表示為：液壓缸左腔→左位電磁閥→油箱。此時，當6YA得電后，機械手依然處于回轉狀態(tài)，當6YA失電后，三位四通電磁閥左位工作，馬達順時針運轉，進而完成反轉動作。

為了確保機械手能夠按照設計動作進行操作，控制液壓缸的電磁閥應根據特定順序依次完成動作，分析機械手的動作過程可得到其動作順序，具體如表2所示。

保護區(qū)建設要從流域的整體性和系統(tǒng)性出發(fā)，充分論證生境和物種保護必要性。目前，已在長江流域分批建設了眾多的水產種質資源保護區(qū)和濕地保護區(qū)，一些保護區(qū)的保護目標和對象針對性不強，或涉及范圍過大，效果不明顯。一旦列為保護區(qū)范圍，任何涉水的社會經濟活動都將受到嚴格限制。因此，需開展現有保護區(qū)的保護需求與效果的科學評估，以促進重要保護區(qū)的保護管理，確保其發(fā)揮作用，并有必要調整、清退一些作用不大的保護區(qū)。

根據機械手動作順序進行電氣回路設計，具體如圖4所示。在機械手液壓系統(tǒng)中，電氣控制主要通過開關、繼電器、電磁鐵、傳感器進行調節(jié)。（1）上升：按下T1，K1得電且常開觸點閉合，處于初始位置的S1被按下，5YA得電，使機械手進行上升；（2）前伸：當機械手上升到一定高度時會觸碰S4，1YA與3YA得電，此時K2也會得電且常閉觸點斷開，導致5YA失電，由此完成機械手的前伸與松開動作；（3）抓取后回轉：當機械手前伸到一定位置時會觸碰S2，K3、K4得電且常閉觸點斷開，使1YA與3YA失電，從而讓機械手抓緊工件[7]。當K4常開觸點閉合、B2感應到機械手抓緊工件時，K5得電且常開觸點閉合，6YA與K6得電，由此讓機械手進行回轉；（4）下降。當K6常開觸點閉合后，4YA得電，機械手做下降動作；（5）松開后復位：當機械手降至一定位置后會觸碰S3，此時K7得電且常閉觸點斷開，分別使4YA與K3失電，使1YA二次得電，機械手做松開動作。當K7常開觸點閉合、B1感應到機械手松開工件時，K8得電且常開觸點閉合，2YA與K9得電，K9常閉觸點斷開，使1YA失電，由此完成機械手復位動作。

當工件被輸送帶傳送過來后，限位開關閉合控制工件到位，機械手從原點開始下降，當降至最低時會觸碰下限位開關，下降停止并接通夾緊電磁閥夾緊工作[8]。上升電磁閥通電后機械手開始上升，至一定高度后會觸碰上限位開關，此時上升停止并向右移動，當觸碰右限位開關后下降，觸碰下限位開關，此時下降電磁閥與夾緊電磁閥斷電，機械手松開工件后開始上升，當觸碰到上限位開關后左移，當移動至原點后觸碰左限位開關，左移電磁閥斷電后復位。至此，機械手搬運工件的過程便結束。機械手完成這些動作是通過液壓系統(tǒng)進行驅動，先采用S7-300控制電磁閥，并用電磁閥所控的液壓系統(tǒng)驅動機械手運動，系統(tǒng)軟件設計流程如圖5所示。

（1）上升。機械手上升動作由三位四通電磁閥控制，當5YA得電之后，三位四通電磁閥右位工作，液壓缸開始上升，從而讓機械手上升[4]。油路連接包括進油路與回油路，進油路流程表示為：液壓源→單向閥→右位電磁閥→調速閥→液壓缸下腔；回油路流程表示為：液壓缸上腔→調速閥→右位電磁閥→油箱。因液壓缸上升速度受調速閥所控，所以其運動比較平穩(wěn)。

4 電氣回路設計

（4）下降。機械手下降動作由三位四通電磁閥控制，4YA得電之后，三位四通電磁閥左位工作，6YA同時得電，液壓缸向下移動，從而讓機械手下降。油路連接包括進油路與回油路，進油路流程表示為：液壓源→單向閥→左位電磁閥→液壓缸上腔→下降；回油路流程表示為：液壓缸下腔→順序閥→左位電磁閥→油箱。

（3）抓取后回轉。當1YA失電后，活塞向上移動，使機械手做抓取動作。機械手回轉動作由三位四通電磁閥控制，6YA得電之后，三位四通電磁閥右位工作，馬達逆時針運轉，從而讓機械手回轉。油路連接包括進油路與回油路，進油路流程表示為：液壓源→單向閥→右位電磁閥→馬達左腔→回轉；回油路流程表示為：右位馬達→右位電磁閥→油箱。

病房里傳來樓蘭的聲音，是西雙來了么？聲音跳躍著，仿佛有了閃爍和微笑的表情。老人和西雙走進去，老人說西雙借給我們三萬塊錢。樓蘭就愣住了。她看著西雙，兩滴眼淚突然涌出，卻掛在眼角，掙扎著不肯落下。她把眼淚蹭上被子，又輕輕揭開被角，伸出慘白纖細的手。她的指尖顫抖著，她說西雙，我能握握你的手嗎？

圖4 機械手液壓系統(tǒng)電氣回路

5 軟件設計

健身性：在裕固族傳統(tǒng)體育項目中不乏此類項目，例如：頂桿子、拉爬牛等都對身體素質有著嚴格的要求；摔跤、拔腰等對人的思維同樣有積極地作用，這是一種智慧的體現，并不是意味的蠻力。在各民族中，人們在漫長的社會生產勞動實踐中逐步產生、發(fā)展各具特色的鍛煉手段。

圖5 軟件設計流程

6 系統(tǒng)仿真

根據運轉要求在ADI LTspice上繪制機械手液壓回路與電氣回路，并對其進行系統(tǒng)仿真。結果表明，本系統(tǒng)能夠滿足機械手的運轉要求，并按照運轉順序進行連續(xù)動作。在此僅以機械手回轉為例來對仿真過程進行驗證，具體如圖6所示。當按下T1時，K1得電且常開觸點開始閉合，同時觸碰S1，5YA得電，電磁閥右位工作，液壓缸向前移動，機械手上升。當機械手上升到一定程度時，按下S4，此時1YA、3YA得電，電磁閥右位工作，液壓缸下降，機械手松開。同時，K2得電且常閉觸點斷開，此時5YA斷開，電磁閥常態(tài)化工作。當機械手前伸觸碰S2，使K3、K4得電。K3、K4常閉觸點斷開，使1YA與3YA失電，電磁閥常態(tài)化工作，液壓缸向上移動，機械手抓緊。當K4常開觸點閉合、B2感應到機械手抓緊工件時，K5得電且常開觸點閉合，使6YA得電，電磁閥右位工作。當液壓缸伸出后即可實現機械手的回轉。

就每一螺旋的具體呈現方式而言，多個版本“平行四邊形概念”在第三學段的引入素材與第二學段在生活范圍上差異不大，有些版本在不同學段引入素材的選取中存在重復現象（如使用了名稱相同的素材），值得商榷．對于“性質1”的發(fā)現，人教版在第二和第三學段的編寫所體現的思維要求無明顯差異，在八下經由對具體平行四邊形圖形的觀察和度量發(fā)現性質，就初中生而言，思維水平要求偏低．冀教版在第一和第二學段均有“平行四邊形性質1的發(fā)現”，但第一學段就編寫“平行四邊形的對邊相等”，超出了“直觀水平”的要求，與學生的實際認知水平可能存在差異．

圖6 機械手液壓系統(tǒng)仿真

7 系統(tǒng)測試

在ADI LTspice上根據仿真圖與元件明細選擇并安裝元件，根據進油路與回油路對其連接，連接時務必要仔細，不可出現漏接或錯接的問題。同時，根據PLC控制圖做好電路連接，完成回路組裝，在確定連接無誤后運行系統(tǒng)并開始進行測試。測試結果表明，本系統(tǒng)能夠在ADI LTspice上模擬動作過程，實現了機械手臂上升、前伸、抓取、回轉、下降、松開、復位等多個動作流程，并可循環(huán)進行工作，基本實現了設計的目的與要求。與傳統(tǒng)驅動相比，本系統(tǒng)控制具有傳遞功率高，傳動平穩(wěn)性強等優(yōu)勢。

11月12日，中國海洋石油集團有限公司對外宣布，我國首個深水自營大氣田——陵水17-2氣田正式進入實質性開發(fā)建設階段，建成投產后將供氣給香港、廣東及海南。陵水17-2氣田位于南海瓊東南盆地深水區(qū)的陵水凹陷，平均作業(yè)水深1500米，項目總投資額超過200億元，儲量規(guī)模超過1000億立方米，于2014年由我國自主設計和建造的第一座深水鉆井平臺——“海洋石油981”勘探發(fā)現。該氣田最快有望于“十三五”末期投產，每年生產30億～35億立方米天然氣。

8 結語

綜上所述，液壓機械手目前已被廣泛應用于制造業(yè)領域。對機械手液壓系統(tǒng)進行設計，討論液壓機械手要實現的功能，并對機械手臂伸縮、升降、夾緊、回轉等動作進行分析。系統(tǒng)測試后進行分析可得出：（1）本系統(tǒng)采用電磁閥轉向，與PLC控制結合，具有操作便捷及自動化程度高等特點；（2）本系統(tǒng)通過單桿液壓缸驅動機械手運動，由單向閥控制其速度，同時通過回油路節(jié)流調速，運動較為穩(wěn)定；（3）本系統(tǒng)通過立式液壓缸控制機械手臂升降，為支撐部件自重，回路由采用平衡回路，能夠避免機械手速度過快或失控下滑；（4）為了使抓取工件后不受波動影響，并且為了能夠保證抓緊工件，回路采用失電抓取來控制，這樣能夠提供更為安全可靠的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)應用多樣化，可將其應用到各行業(yè)的工件、物料搬運或堆垛作業(yè)，例如冶金、建材、機械制造等。