基于PLC和氣動技術的自動輸送系統設計

張新娟

（中山市技師學院電氣應用系，廣東中山 528403）

0 引言

目前，某些工廠的產品具有易燃、易爆、酸性、腐蝕性、放射性等對人有害的特性，而此類產品的原材料也具有相應特殊的物理、化學性質，在加工生產過程中，原材料的輸送如防護不當，極易發生事故，所造成的后果非常嚴重。在最近幾年，隨著機電一體化和氣動技術發展迅速，機器人以及其他智能機器和自動化裝置在工業應用領域有著廣闊的前景[1-2]。本文主要介紹一套針對危險性原材料的自動輸送系統。

1 系統結構

自動輸送系統可分為機械裝置、氣動系統和電氣控制三部分。機械裝置主要有運送車和機械手。運送車是一套移動設備，能裝載6 個盛放危險性原材料的化學桶。氣動系統的執行部件包括1 個氣動雙向馬達、1 個氣動吸附泵以及7 個氣缸，用來驅動運送車和機械手的動作。電氣控制部分采用上、下位機的主從模式，上位機為個人電腦（IPC）、下位機選用PLC。IPC 負責系統監視和人機交互，而PLC 根據IPC的輸入程序和傳感器檢測的信息實時控制氣動系統中的10 個電磁閥來控制馬達、氣缸等的循環動作。系統有連續和單步2 種工作方式。用戶可以通過IPC 顯示器來監視整個系統。系統構成如圖1所示。

圖1 自動輸送系統的構成圖

2 機械裝置

機械裝置包括運送車、機械手和一些輔助裝置。運送車由運動輪、機架、承載桶的托臺、托臺旋轉分度機構以及裝載危險原材料的6 個桶等部件組成。運送車能在原材料的裝載和卸載地點之間進行前進-后退，車上托臺由分度機構控制可每次旋轉60°。分度機構由托臺、定位銷、定位氣缸、分度氣缸、分度棘齒裝置等構成，它的任務就是在機械手每完成一次桶的卸載后，驅動托臺旋轉60°，將下一個桶轉至機械手抓取的位置，以讓機械手依次卸載各桶。機械手由爪、腕、臂、腰和底座構成，爪能抓攏和釋放，腕能翻轉和復位，臂能伸縮，腰能升降，以及底座能擺轉、復位。由于被卸載的原材料可能是易燃易爆的，所以抓取和搬運桶的過程必須順暢而且力度適中。爪是一個較復雜的結構，它是一個可抓取并帶真空吸盤的裝置，抓取材料桶時，爪能抓攏桶，并通過吸盤負壓吸附住桶，而釋放材料桶時，動作相反[3-4]。

3 氣動系統

氣動系統是由氣源裝置，氣動二連件、電磁閥，氣缸，吸盤和馬達等組成的回路。氣動控制原理圖如圖2所示。

4 控制系統設計

4.1 控制系統功能

控制系統的目的是通過控制氣動系統中各電磁閥來控制氣動馬達、吸盤和氣缸，使機械裝置完成設定的操作循環。動作順序是：首先，運送車將裝有危險性原材料的桶從裝載位置送到機械手的抓取位置。然后機械手臂伸出，機械手爪抓住桶并通過負壓吸附住桶，然后機械手的腰升高120 mm 而使桶被拿離車子的托臺，機械手的底座旋轉120°，將桶擺轉移到要卸載材料位置的上方，然后機械手的腕翻轉過180°將材料緩慢地倒出并停頓2 秒鐘。然后，手腕、底座、腰部依次翻轉、擺轉、下降復位到平臺上方，然后氣體也被注入到吸盤與桶之間，爪松開將空桶放回車上的托臺上，機械手縮回。這時機械手已經完成了一個卸載動作。接著運送車的定位銷落下，分度機構動作，下一桶被旋轉到機械手抓取位置開始新一輪的搬運。每次材料輸送循環包括機械手的6 次卸載動作和運送車的5 次分度旋轉動作。過程如圖3 所示。整個循環可以設置為自動連續操作，也可以是人工單步操作。循環的動作順序也可以根據需要修改。

圖2 系統氣動原理圖

圖3 自動輸送系統的動作順序圖

4.2 控制系統硬件

圖4 自動輸送系統中PLC的I/O分配圖

控制系統的硬件部分設計為主-從模式，即IPC-PLC。PLC 需24 個輸入點，23 個輸出點，三菱的FX2n-48MR型號的PLC可以滿足要求。

自動輸送系統設計的PLC 的輸入輸出分配如圖4所示。

4.3 控制系統軟件

控制系統的軟件部分主要有3部分，包括IPC中的主程序、IPC與PLC內部的通訊程序和PLC內部自動輸送控制程序。IPC 中的程序又包括監視程序，參數修改程序，錯誤診斷程序，數據管理程序以及與PLC 的通訊程序等。通過交互界面，用戶不僅可以給系統發出指令，并能夠監視自動輸送系統的各個狀態。其中一個人機交互界面在IPC中如圖5所示。

圖5 自動輸送系統單步操作界面

PLC 程序包括三部分，包括人工單步程序、自動輸送程序，以及與主機的通訊程序。自動輸送系統的順序功能圖如圖6所示。

5 結語

自動輸送系統有兩種工作方式：連續操作和單步操作。系統實現了危險原材料的自動輸送，提高了安全性、工作效率，而降低了危險性。所介紹的自動輸送系統能夠完成預定的工作，并能被遠程監控，由于其基于PLC 開發，具有實用性和廣泛應用性。

圖6 自動輸送系統的PLC順序功能圖

［1］徐英，曲波.基于可編程控制器的機械手控制系統的設計［J］.電工電氣，2011（3）：24-26.

［2］何 洋，項 基，彭 勇 剛.基于ARM9 和嵌入式Linux 的注塑機機械手上位機控制器［J］.機電工程，2012（3）：297-301.

［3］張新榮，霍瑩，王金民.基于PLC的生產線運料車控制系統設計［J］.制造業自動化，2011（04上）：115-118.

［4］周曉旭.基于PLC 和組態軟件的自動生產線設備開發［J］.數字技術與應用，2011 （02）：91-93.