基于PLC控制的氣動搬運機械手系統設計

劉紅先

（鄭州煤礦機械制造技工學校，鄭州450013）

0 引 言

氣動機械手在機械加工、沖壓、鍛造、焊接、鑄造、裝配和熱處理等生產過程中被廣泛應用，是自動生產設備和生產線上的重要裝置之一。氣動機械手可以根據各種自動化設備的工作需要，按照預定的控制程序動作，完成自動取料、上料、卸料等功能，用來減輕工人的勞動強度。文中通過分析氣動機械手需要實現的功能，完成了氣動機械手的結構和運動控制的設計，該機械手具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩和節能等優點。其運動控制采用PLC 實現，可以提高系統工作的可靠性，并且當需要改變機械手的運動順序時，只需修改程序，接線布置無需改變［1-3］。

1 氣動機械手結構設計

1.1 功能分析

氣動機械手主要完成工件的搬運，其工作過程如圖1所示。在圖1 中傳送帶A、B 由電機驅動，光電開關用于檢測工件，當光電開關檢測到工件時，傳送帶A 停止運動，同時給氣動機械手發出一個信號，氣動機械手便將工件從傳送帶A 上搬運到傳送帶B 上。

1.2 結構設計

根據氣動機械手搬運過程，確定機械手的結構，如圖2 所示。機械手由氣爪夾持機構、手臂平移機構、手臂升降機構、手臂回轉機構以及固定支架等部分組成。該機械手具有3 個自由度，在氣泵驅動下通過氣爪1 活塞的運動，可實現對工件的夾緊和松開；通過伸縮缸2 的運動，可實現手臂的伸出和縮回動作；通過升降缸3 的運動，可實現手臂的上升與下降；通過擺動缸4 齒條的往復運動，可實現長臂的回轉運動。利用機械手的伸縮、升降、回轉運動及氣爪的夾緊與松開動作，從而完成工件的搬運。

圖1 氣動機械手工作過程示意圖

圖2 氣動機械手的結構示意圖

2 氣動機械手的氣動回路設計

2.1 動作過程分析

根據實際物料搬運過程，對氣動機械手動作過程進行分析，如圖3 所示。

圖3 氣動機械手動作過程

2.2 氣動回路設計

在氣動機械手的設計過程中，考慮到氣壓傳動的優越性和機械手所要完成的功能，本文采用氣壓驅動來完成機械手的全部執行機構設計［4-6］。根據機械手的功能要求，氣動控制系統需用4 個執行元件來滿足工作要求，機械手氣動控制回路如圖4 所示。

圖4 氣動機械手氣動回路圖

機械手氣動回路主要由氣泵、氣源凈化裝置、氣源輔助裝置、氣爪1、手臂伸縮氣缸2、手臂升降氣缸3、手臂回轉氣缸4 及各種控制閥組成。其中氣爪、伸縮缸、升降缸、回轉缸的運動方向分別由二位四通單電控閥YA、YB、YC和YD 來控制；其運動速度分別由兩個單向節流閥來控制。

3 氣動機械手的的虛擬設計

本文采用SolidWorks 軟件來進行氣動機械手虛擬設計。參照已經確定的氣動機械手的結構、動作順序和氣動回路圖，文中采用SolidWorks 軟件完成了氣動機械手虛擬設計和裝配，如圖5 所示。

4 氣動機械手的控制系統設計

4.1 控制要求

1）按下啟動按鈕，傳送帶A、B 運動，當光電開關檢測到工件時，傳送帶A 停止，同時機械手動作；

2）機械手工作方式分為自動和手動兩種；

3）自動工作方式設有停止按鈕，停止按鈕的功能是使機械手完成當前工作循環便停止；

圖5 氣動機械手虛擬模型

4）當按下手動工作方式按鈕SB2 時，就可利用按鈕對機械手的每一個動作單獨進行控制，例如，按下伸臂按鈕SB7，手臂伸出；按下順時針轉動按鈕SB10機械手順時針轉動。手動按鈕便于機械手在維修時的調整。

4.2 PLC 選型及I/O 分配

文中選擇松下電工FP0 系列PLC，FP0 是繼小型機FP1 之后又開放的一款小型PLC 產品。它集CPU、I/O、通信等諸多功能模塊與一體，具有體積小、功能強和性價比高等特點，特別適合在中小企業推廣應用［5］。

控制系統有自動工作方式啟動按鈕1 個，手動工作方式啟動按鈕1 個，自動方式停止按鈕1 個，1 個光電開關，自動工作方式的8 個傳感器，手動工作方式的8 個單步工作方式按鈕，2 個繼電器，4 個電磁閥，共需20 個輸入點和6 個輸出點。本文選擇FP0 系列C32 型主機，其輸入、輸出口各16，因為輸入口不滿足系統控制要求，所以需要對控制單元進行擴展，根據控制要求選擇E8 型擴展單元。

表1 I/O 分配表

擴展后I/O 口的地址編號為：

C32 型主機：輸入端X0～XF,輸出端Y0～YF；

E8 型擴展單元：輸入端X30～X37。

PLC 的I/O 點分配如表1 所示。

4.3 軟件設計

控制系統程序設計采用梯形圖，根據控制要求和I/O口的分配表，編寫氣動機械手的控制程序。

編寫機械手控制系統的PLC 梯形圖程序，如圖6 所示。

圖6 PLC 梯形圖程序

4.4 硬件設計

氣動機械手的控制系統采用光電開關和兩線式磁性開關，分別用來實現工件和氣缸活塞運動的檢測。結合I/O口分配表和控制系統軟件設計，繪制PLC 的硬件接線圖，如圖7 所示。

5 結 論

文中將SolidWorks 軟件和PLC 控制相結合，完成了氣動搬運機械手系統設計，主要完成以下工作：

圖7 PLC 的硬件設計

1）通過分析氣動搬運機械手的功能，進行了其組成系統的設計；

2）利用SolidWorks 軟件進行氣動搬運機械手的三維建模，完成了其虛擬設計，為后續的控制系統設計奠定基礎；當機械手動作順序改變時，硬件系統無需改變，只需修改梯形圖程序，即容易實現機械手動作的多樣化，以滿足現實的需要；

3）采用松下電工FP0 系列C32 型主機，完成了氣動搬運機械手控制系統的設計。

通過本研究可以實現氣動搬運機械手的快速、高效設計。本控制系統可以根據機械手實際工作要求進行相應修改，容易實現機械手動作的多樣化，以滿足現實的需要，從而提高控制系統的通用性。

［1］ 戴勤.PLC 在氣動機械手控制系統中的應用［J］.自動化應用，2010（4）：40-37.

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［6］ 趙華軍.機械手的PLC 控制系統設計［J］.工業控制計算機，2010，23（6）：117-118.

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［8］ 李啟炎，李光耀，等．SolidWorks 零件設計［M］．北京：清華大學出版社，2002.

（編輯立 明）