氣動式裝箱機械手控制系統研究

邱子浩　谷文涌

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司山東泰安2.華北水利水電大學河南鄭州）

氣動式裝箱機械手控制系統研究

邱子浩1,2谷文涌1

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司山東泰安2.華北水利水電大學河南鄭州）

本文介紹了氣動式裝箱機械手的基本結構、工作原理以及在實際生產中的應用，在裝箱機械手設計過程中堅持在保證功能的前提下盡量降低成本的設計理念，完成裝箱機械手機械結構和氣路系統的優化設計，根據氣動式裝箱機械手的功能，設計了基于PLC的控制系統，對其軟硬件進行了選型與電路設計，完成了其電氣控制系統的設計。

裝箱機械手；PLC；電氣控制系統

前言

氣動機械手作為機械手其中的一大類，其特點為：動作迅速、結構簡單、重量輕、平穩、節能、可靠和不污染環境等優點，所以被越來越多行業所接受[1]。本文根據一次性餐具自動裝箱的需要，設計了一套基于PLC控制的氣動裝箱機械手，完成對一次性消毒餐具抓取裝箱路線的規劃，實現裝箱機在實際工作環境中高效率的運行。

1　氣動式裝箱機械手本體結構

裝箱機械手由機械系統和控制系統兩大部分組成，如圖1所示。

圖1　裝箱機械手組成

本文設計的機械手需要抓取傳送帶上方的物體，通過機械手的運送放置在箱子內，所以要求機械手具有橫入橫出、可以升降及伸縮運動，所以采用直角三坐標式，即橫向自由度（橫入和橫出）、升降自由度（上升和下降）和伸縮自由度（伸出和縮回）。

根據三坐標裝箱機結構特點，分析機械手動作過程，設計碼放方式如圖2所示；每個箱子可裝12套餐具，分三層放置，每層放4套；先從最底層碼放，依次放置到第三層。因此縱向氣缸和橫向氣缸要求設計在中間位置停止；所以設計使用三位五通電磁換向閥與安裝磁環的雙作用氣缸配合使用，利用磁性開關反饋氣缸內活塞的位置，可以完成氣缸在中間位置的停止。

圖2　裝箱碼放布局

氣動裝箱機械手組成如圖3所示，其中包括縱向氣缸、縱向導軌、水平導軌、橫向導軌、橫向氣缸、機械手連接機構、張緊機構、同步電機等。不同方向的導向機構和驅動元件的配合使用可以完成橫向或縱向的直線運動，使機械手能實現三坐標的運動功能。

圖3　全自動餐具清洗氣動三坐標裝箱機三維建模圖

2　控制系統組成與功能

裝箱機械手動作緊湊，能夠在不間斷的情況下連續工作，要求機械手動作效率高，各個模塊在保證安全的情況下提高動作效率。根據機械手實際操作規劃，設計動作機械手動作規劃如圖4所示。機械手控制系統構架如圖5所示；為了使機械手各部分能分別完成不同的動作，需要有多種執行元件聯合完成；其中主要利用主控制器作為整個裝箱機械手的控制核心，利用觸摸屏設備完成人機指令交流，利用電磁換向閥控制氣缸運動，同步電機的正反轉及轉速用調速器控制，檢測傳送帶上方物體需要光電傳感器來實現[2～3]。如上述所知，裝箱機械手控制系統需要由幾部分組成：控制器、觸摸屏、執行元件以及傳感器組成。

圖4　氣動式裝箱機械手動作規劃圖

3　裝箱機控制系統電路設計

裝箱機由于其組成和功能決定了控制柜內的布局及各控制元件的安裝位置，確定I/O點數時根據圖6所示總體方案進行選定。

圖5　氣動式裝箱機械手控制系統構架

圖6　PLC及外圍電路

控制柜內硬件型號如表1所示，三位五通電磁閥使用三個，兩位五通電磁閥使用一個，則電磁轉換接頭使用七個。由于裝箱機在工作時電磁閥需要頻繁開啟和斷開，瞬時電壓較高，為保護PLC輸出口不受瞬時高電壓沖擊，在電磁換向閥與PLC輸出口回路中使用中間繼電器進行調節保護。

表1　控制系統硬件型號

如表2所示，PLCI/O口使用情況如下，本著基本電路連接方法、低成本的原則I/O口分配盡量緊湊、節省空間，還可以后續添加控制功能、細化控制分配。

表2　PLCI/O分配表

4　系統程序設計

如圖7所示，系統開始運行時，各氣缸首先回歸原點（即移動至抓取物上方）、抓手打開，待磁性開關檢測到氣缸回歸原點時，系統便等待傳送帶上餐具；傳送帶處傳感器檢測到餐具時，抓手下降，至最低處抓手抓??；此時計數器加1，判斷計數器數值是否臆12（設計裝箱個數為12個裝一箱）；若是，程序根據計數器數值判斷碼放位置；若否，計數器清零加1判斷碼放位置；判斷位置后機械手上升，然后橫向移動至箱體上方，下降至不同位置，松開、上升、回歸原點，繼續等待下一套餐具。

圖7　控制程序流程圖

根據機械手設計運動方案，機械手各氣缸動作為：下降、抓取、上升、伸出、下降、放松、上升、縮回、下一循環。機械手各氣缸安裝的磁性開關是機械手位置控制的重要環節，機械手的行程及碼放位置都依靠磁性開關的安裝位置，要確保磁性開關有充分的調節空間，便于機械手在不同尺寸箱體的碼放。同時，為了保證機械手執行動作時不造成機械干涉、碰撞等因素，在動作執行的過程中只允許一個氣缸動作。

為了控制機械手的啟停，需要分別設置開始、停止按鈕，但是為了節約PLC的I/O點數量，盡量減少不必要的浪費，在控制系統設計時將開始和停止合并為一個輸入口，并在PLC程序中加以區分（即第一次按下開始動作，動作開始后按下按鈕動作停止）便可以節省輸入口的個數。為方便調試需要在觸摸屏設計連續運動按鈕，在連續運動關閉時執行單氣缸點動，對機械手的各個自由度進行手動控制；啟動連續運動，當按下開始按鈕時，氣動機械手自動執行裝箱工作。上文所述將啟動按鈕和停止按鈕合并為一個輸入口，應當區分正常停止還是急停，并作了如下設計：在連續模式下按停止按鈕設定為正常工作停止；在非連續模式下按停止按鈕設定為故障急停。上述兩種情況的區別在于：連續運行中停止時，機械手要完成本次裝箱動作回歸原點時停止；非連續運行中停止時，機械手運行會立即停止，可以保證調試過程安全進行。當再次按下開始按鈕時，如在連續運行狀態下機械手會記憶此前連續運行狀態下，如在非連續運行狀態下則立即停止氣缸運動，再次啟動的時候不會繼續工作。

開始停止按鈕輸入信號需要處理使用，由于該輸入信號為手動開關，每個操作者的操作習慣不同，按按鈕的持續時間不同，或長或短，這樣就會使相應按鈕輸入是產生各種不同的情況，這種不確定因素對整個系統程序是非常不利的，所以要使用微分指令調整按鈕的動作信號；可以將所有的手動按鈕都進行上升沿處理，不但可以保證按鈕響應的準確性，還可以使程序變得簡潔明了，可讀性高。

機械手在正常工作時都要處于初始位置（即原點：升降氣缸上限位，伸縮氣缸伸出限位，抓手張開），在連續模式下按下開始按鈕首先系統檢查各氣缸位置，如果不在原點位置各氣缸移動至初始位置；如果已在初始位置系統將進行下一步動作。

另外，在程序編寫的過程中，要保證PLC內部輔助繼電器的互鎖，如氣缸上升和下降互鎖，伸出和收縮互鎖，抓手夾緊和放松互鎖，這樣不僅保證了PLC程序上的邏輯性，而且還保護了機械結構不會損壞。

裝箱機控制程序中主要的就是對裝箱位置的控制，由于整個氣路系統中存在少量漏氣現象及重力作用，縱向氣缸不能長時間停留在中間位置，否則氣缸會向下滑，會造成位置不準確。因此設置抓取時間盡量短，避免造成定位不準確帶來的效率問題。機械手檢測到傳送帶物體以后開始下降至傳送帶上方，抓取0.3s后上升，保證抓手可以穩定的抓取物體。PLC程序中大量的使用了起保停電路，簡單易懂，可讀性好，容易修改。

一個箱子里需要裝12個裝箱物，機械手需要分別在12個不同位置進行放置。因此在PLC編程時，利用一個計數器對碼放個數進行計數；當機械手抓取時，計數器從數字1開始計數，每抓取一個物體時計數器內部數字加1；當計數器內部計數值為12時，計數器清零，開始下一循環。再利用數值比較器比較計數器的數字，例：如果編號為1的數值比較器的比較值為1，跟計數器內部數字比較結果，當計數器內部數字為1時，1號數值比較器接通變為通路，在比較器后串聯使用一個中間繼電器線圈；如果中間繼電器線圈得電，則說明對應的機械手正在碼放不同的位置，在PLC程序中設計使用伸縮或者升降位置相同的中間繼電器常開觸點并聯，然后串聯伸縮或者升降位置相同的磁性開關，最后并聯得到橫向停止位置。

升降氣缸不同的停止位置也是用不同的中間繼電器常開觸點并聯，然后串聯伸縮或者升降位置相同的磁性開關，最后并聯得到橫向停止位置。應該注意的是，在不同位置對應的中間繼電器得電時，比如碼放物體的一號位置和二號位置之間，總有一個中間繼電器是得電的，如果一號位置得電，那么二號位置失電；一號位置失電的同時二號位置得電，中間不存在同時得電或者同時失電的情況，所以可以保證軟件程序的準確性，從而可以保證在軟件設計上的是穩定的可靠的。

本文通過PLC編程實現對一次性餐具氣動裝箱機械手的自動化控制，提高了一次性餐具的自動化生產水平，其應用具有非常廣闊的市場前景。

[1]John D.Baker，George E.Klinzing Optimal Performance of Penematic Transport Systems[M].Powder Technology，1999：240～247.

[2]孫迎遠.PLC在氣動機械手中的應用[J].煤礦機械，2008（9）：151～152.

[3]滕敏君，李偉光，等.基于PLC和觸摸屏的高速郵包機控制系統設計[J].制造業信息化，2008（6）：92-93.

TP241

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1673-0038（2015）49-0209-03

2015-11-1

邱子浩，山東臨沂人，在職研究生，高級運維專責。