基于PLC的工業(yè)機械手在自動化生產線中的應用

張勁

(揚州職業(yè)大學，江蘇 揚州225009)

0 引言

工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并按照設定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運物件，從事焊接、噴漆、裝配等工藝操作的機電一體化裝置。近年來，機械手在自動化領域中得到越來越多的應用，它可替代人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，廣泛應用于機械制造、冶金、電子、航空航天等部門。工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)是通過控制電磁換向閥、氣缸等來實現不同動作的，可以采用單片機控制，也可以采用PLC控制。若采用單片機控制，由于電磁閥的工作電壓高于單片機，所需驅動電流較大，須設計功率接口電路，還要進行抗干擾和可靠性設計。采用PLC控制，則無需考慮上述問題，PLC以其高可靠性、高柔性、豐富的I/O接口等優(yōu)點而被廣泛應用于各種自動化生產設備和生產線上。圖1為工業(yè)機械手的結構示意圖［1-2］。

圖1 工業(yè)機械手結構示意圖

本文重點闡述了氣動工業(yè)機械手搬運物件的PLC控制系統(tǒng)的控制方案及其軟硬件結構的設計方法，該控制系統(tǒng)造價低廉、線路簡單、通用性好，具有一定的代表性。

1 自動搬運系統(tǒng)的結構和控制要求

1.1 機械手控制要求

如圖2所示，機械手控制系統(tǒng)需實現從左高位為起點的一個循環(huán)過程。機械手在左高位啟動首先下降，當手下降到工件位置時停止下降并夾緊工件，接著機械手夾著工件開始上升，上升到指定高度后，開始右移到指定位置時開始下降，到可以放工件的位置時放下工件，然后機械手開始上升，到指定高度后再左移到起點位置，完成一次工作循環(huán)。

圖2 機械手自動搬運系統(tǒng)示意圖

1.2 機械手工作原理

圖3 為機械手的氣動原理圖。其工作原理為:開始時機械手停在原位，此時電磁鐵5YA通電，機械手松開，按下啟動按鈕時，電磁鐵2YA通電，氣缸5的活塞帶動機械手下降，下降到位時，壓下限位開關，2YA斷電，氣缸使機械手停止下降；同時使5YA斷電，氣缸17的活塞帶動機械手夾緊工件。夾緊后電磁鐵1YA通電，氣缸5的活塞帶動機械手上升。上升到位時壓下限位開關，使1YA斷電，上升停止。同時使電磁鐵3YA通電，氣缸11的活塞帶動機械手右移。右移到位時壓下限位開關，使3YA斷電，機械手右移停止。若此時工作臺上沒有工件，則光電開關接通，使電磁鐵2YA通電，氣缸5的活塞帶動機械手下降。下降到位時壓下限位開關，使2YA斷電，機械手停止下降。同時5YA通電，氣缸17的活塞帶動機械手松開。放松后1YA通電，氣缸5的活塞帶動機械手上升，上升到位時壓下限位開關，使1YA斷電，機械手停止上升，同時使電磁鐵4YA通電，氣缸11的活塞帶動機械手左移。移動至原點時壓下限位開關，使4YA斷電，機械手左移停止，一個周期的工作循環(huán)到此結束。單向節(jié)流閥4，6，10，12，16，18用來提高氣缸動作時的速度穩(wěn)定性。液控單向閥3和7用來防止在機械手停止時上下漂移［4-5］。

圖3 機械手氣動原理圖

2 PLC控制系統(tǒng)設計

2.1 輸入/輸出點數分配

根據機械手的動作控制要求和控制信號數量，畫出機械手PLC控制流程圖(圖4)，并確定PLC輸入/輸出點數(表1)。本系統(tǒng)選用FX2N-48MR型PLC。FX2N系列PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、控制程序可變、編程簡單、擴展方便、體積小、價格低等優(yōu)點，為多數自動控制系統(tǒng)所采用［3］。

圖4 PLC控制流程圖

表1 PLC輸入/輸出分配表

2.2 硬件設計

PLC控制系統(tǒng)與機械手本體的連接主要是針對PLC的輸入和輸出設備而言的。連接時參照PLC控制系統(tǒng)的外部I/O連接圖和主電路圖進行。系統(tǒng)中機械手的控制面板采用觸摸屏結構，可以節(jié)約大量的I/O連接時間。除限位開關具有實體需要連接外，其他控制開關均無需連接實體。PLC的輸出端子只接通各個氣缸的換向電磁閥即可。其他指示燈均可在觸摸屏中顯示。工作時只要能夠滿足PLC處于通電狀態(tài)，控制程序也已經下載到PLC中，通過觸摸屏就可以完成所有工作過程。由此可以看出觸摸屏式控制界面比機械式控制面板具有很大的優(yōu)勢。PLC與觸摸屏的通訊極為簡單，可以通過標準的電纜RS-232連接，在PLC和觸摸屏的實體上都有這些標準電纜的連接接口。圖5為控制系統(tǒng)硬件結構圖［6-7］。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結構圖

2.3 軟件設計

根據上述的流程圖可以得到PLC控制系統(tǒng)梯形圖。由于本機械手控制系統(tǒng)動作順序性強，每一步的動作均在前一步動作完成之后進行，故也可采用FX2N系列PLC的順序控制指令畫出順序功能圖(SFC)，再轉化成梯形圖，本文不再贅述。

3 結語

工業(yè)機械手是工業(yè)及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。工業(yè)機械手的設計和制造涉及到機械設計與制造、電氣控制、液壓和氣壓傳動等方面的專業(yè)知識，是多種學科交叉融合的典型機電一體化裝置。而機電液(氣)一體化是現代工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢，是機電類專業(yè)學生必須掌握的一門綜合性知識。若將其制作成教學模型，對學生機、電、液(氣)等各門知識的深化和綜合運用，都有著非常重要的意義。

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