工業送料機構設計、建模與PLC控制

王　雷，李　明，楊成剛，魏書平，何慧娟，劉春景

(1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院， 安徽 蕪湖　241000；

2.先進數控和伺服驅動技術安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖　241000；

3.蕪湖港儲運股份有限公司，安徽 蕪湖　241006；

4.蚌埠學院 機電系，安徽 蚌埠　233030)

工業送料機構設計、建模與PLC控制

王雷1，2，李明1，2，楊成剛3，魏書平1，2，何慧娟1，2，劉春景4

(1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院， 安徽 蕪湖241000；

2.先進數控和伺服驅動技術安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖241000；

3.蕪湖港儲運股份有限公司，安徽 蕪湖241006；

4.蚌埠學院 機電系，安徽 蚌埠233030)

摘要：研究了通過PLC控制的自動送料裝置，包括總體方案設計、機械結構設計與建模、液壓驅動系統設計、PLC控制與編程等。對編制的程序進行了相應的邏輯調試及驗證。結果表明：所編制的程序正確、有效。該研究成果為復雜送料機構的設計與控制提供參考。

關鍵詞：送料機構；機械結構設計；建模；液壓驅動；PLC控制

現代機械制造企業要提高產品生產的自動化程度和生產效率，首先必須從自動化送料機構開始，因此工業送料機構在工業自動化生產中起著十分重要的作用[1-6]。近年來，由于PLC在控制性能、硬件成本等方面所表現出的綜合優勢，其在工業自動控制領域的應用愈來愈廣泛。本文應用PLC控制自動送料裝置，主要研究內容包括總體方案設計、機械結構設計與建模、液壓驅動系統設計、PLC控制與編程等。

1工業送料機構的總體方案設計及選取

1.1　工業送料機構總體方案設計

對工業送料機構的基本要求是能快速、準確地拾取、搬運和釋放物料，這就要求它具有精度高、反應速度快、承載能力強、工作空間范圍大、自由度靈活及能自動定位在任意位置等特性。本研究設計的送料機構將物料從一個工位搬運到另一個工位，以此實現物料的靈活轉換[7]。

由于送料機構的位置功能主要是在兩個工位之間進行工件(物料)的搬運，所以對整個送料機構的自由度要求不是很高，2~3個自由度即可滿足要求。

根據物料是在兩個工位之間運送的相關要求，在對大量的文獻進行了分析與總結后擬定出以下3種工業送料方案。

1) 方案1

原理如圖1所示。方案1的工件送料機構有2個自由度，也就是圖1中沿A氣缸方向和沿B氣缸方向，工件只能在這兩個方向運動。基本工作原理：用A、B兩個氣缸將工件從料倉中傳遞到滑槽。按下按鈕，氣缸A伸出，將工件從料倉推出，推到目標位置后氣缸B將其推入輸送滑槽；工件傳遞到位后，A缸回縮，接著B缸回縮，工件機落入接料槽；依此循環往復，完成周而復始的送料。

2) 方案2

原理如圖2所示[8]。方案2的送料機構有2個自由度，即沿水平移動氣缸方向和沿垂直移動氣缸方向。基本工作原理：首先取物裝置(負壓吸盤)抓取物料，燃火水平氣缸和豎直氣缸運動，到達相應的位置后取物裝置放下物料，再回到物料搬運的起點，這樣循環往復，實現兩個工位間的物料搬運。

圖1　方案1原理

1.水平移動氣缸；2.垂直移動氣缸；3.立柱 ；4.擺動氣缸；

3) 方案3

原理如圖3所示[4]。方案3的機械結構實現兩個工位間的移料動作，手臂具有回轉、升降及伸縮運動。該送料機構具有3個自由度，即回轉自由度θ(正轉和反轉)、升降自由度x(上升和下降)和伸縮自由度r(伸出和縮回)。被抓取工件是水平抓取，然后水平放置，搬運過程中無需改變工件的姿勢，因此可以省略手腕模塊(只設計夾緊和放開，而不設計抓取手腕的回轉)。根據工件外形(圓形物料)，夾持部分采用兩指手爪，具有一個開合運動(夾緊和放松)[4-5]。

1.2　工業送料機構方案評價及選取

方案1的優點：只有A和B兩個氣缸，結構簡單，物料只有2個自由度，操作和控制方便，基本能實現兩個工位間物料運輸。

方案1的缺點：整個送料機構的自由度數為2，所以靈活性低，只能在1個平面內送料，且沒有物料抓取裝置，所以實用性、通用性不高。

方案2的優點：有2個氣缸和1個抓取裝置，結構簡單，能實現抓取物料、水平和豎直移動這3個動作，操作和控制也比較方便，可以實現兩個工位間物料的運送問題。

方案2的缺點：與方案1類似，只有2個自由度，所以整個機構的靈活性不高，而且只能在1個平面內送料，盡管有取物裝置，但其通用性不高。

方案3的優點：較前兩個方案該機構自由度為3，所以靈活性比前兩個方案要高；另外該方案能實現空間任意位置物料的運送，其通用性、實用性也比較好；有機械抓取裝置，對物料外形要求較低。

方案3的缺點：機械結構較復雜，操作和控制也較繁瑣。

在充分考慮整個送料機構的靈活性和實用性的基礎上，選取方案3作為設計的送料機構方案，并對其結構進行建模。

圖3　方案3原理

2工業送料機構建模

工業送料機構(本文指機械手)結構可分為基座、立柱、手臂、手腕、手部等模塊。各個模塊根據功能需要又可進一步劃分。機械手的各組成部分如圖4所示[9]。

圖4　機械手的各組成部分

2.1　工業送料機構的手部設計

各組成部分需要完成特定的功能。首先設計手部模塊。由于本文所運送的物料為圓形棒料，因此選用連桿杠桿式，具體建模過程如圖5、6所示。建立各個連桿三維模型后，得到手部裝配情況，如圖7所示。

圖5　手部連桿1三維模型

圖6　手部連桿2三維模型

圖7　手部裝配情況

2.2　工業送料機構的手臂部分設計

手臂是支撐手部和工件并使它們運動的機構[3]。手臂一般有3個方向的運動：伸縮、旋轉和升降，其中旋轉、升降運動是由橫臂和立柱完成。

1) 送料機構橫臂設計

作直線運動橫臂的結構基本上是由驅動液壓缸和導桿組成，液壓缸采用雙作用單活塞桿實現橫臂往復運動，結構上采用液壓缸體固定在橫臂支撐上，活塞桿運動，橫臂最大行程為200 mm。根據上述要求設計出一種橫臂支撐裝置，如圖8所示。

送料機構在進行伸縮運動時，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉動，以及加大承載能力、提高運動精度，必須設有導向裝置。本送料機構將液壓缸缸體固定在橫臂支撐上，導桿穿過旁邊小孔，這樣可以有效避免旋轉，提高承載能力和運動精度。根據上述要求建立三維模型，再將其進行裝配，如圖9所示。

圖8　橫臂支撐裝置

圖9　橫臂裝配圖

2) 送料機構豎直臂設計

豎直臂與橫臂類似，由驅動機構、導向機構組成。驅動機構為液壓缸驅動，導向機構為單導桿導向，其最大行程為100 mm。最后將導桿和套筒進行裝配，如圖10所示。

2.3　送料機構回轉機構及底座設計

實現送料機構手臂回轉的運動形式有多種。本送料機構中的回轉機構采用齒輪齒條結構，即通過齒條往復移動帶動與手臂聯接的齒輪往復運動，實現手臂的回轉運動。裝配圖如圖11所示。

圖10　豎直臂裝配圖

圖11　軸及其軸上零件裝配圖

底座是送料機構的基礎部分，是支撐起送料機構的構件。送料機構底座安裝一根軸、向心球軸承和推力球軸承，底部還要留有一定空間用于安裝齒條。結合以上要求設計出的送料機構底座如圖12所示。

2.4　送料機構三維裝配圖

利用虛擬裝配技術得到送料機構的裝配圖，如圖13所示。

圖12　送料機構底座零件圖

圖13　送料機構的裝配圖

3液壓驅動原理圖設計

本次設計的送料機構要完成移料動作，因此需要對液壓缸的位置進行精確控制[10]。每一個送料機構里的自由度對應的液壓缸在送料過程中僅有兩個位置供停止。由于實際應用情況的變化，液壓缸活塞往往需要停留在中間位置。基于此，本文中送料機構的回轉液壓缸采用鎖緊回路，可使液壓缸活塞在任意位置停止，并防止其停止后竄動。另外，為了防止立式液壓缸和垂直運動的工作部件由于自身重力而超速下降，或在下行運動中由于自重而導致發生失控、失速等不穩定運動，液壓系統中必須設置平衡回路。基于以上分析，設計的液壓系統原理如圖14所示。

圖14　液壓系統原理

4工業送料機構PLC控制程序設計

送料機構的循環動作為：下降→夾緊→上升→正轉→伸出→放松→縮回→反轉→下一循環。按照此循環動作，設計了輸入和輸出之間的分配關系[11-12]，如表1所示。

表1　輸入和輸出之間的分配關系

根據實現控制功能的要求，編制控制程序梯形圖，如圖15所示(截取部分)。對編制的程序進行了相應的邏輯調試及驗證，結果表明，所編制的程序是正確和有效的。

圖15　程序梯形圖(部分)

5結束語

本文根據要完成移料動作的功能要求，對自動送料裝置進行了研究，主要內容包括總體方案設計、機械結構設計與建模、液壓驅動系統設計、PLC控制與編程等。對編制的程序進行了相應的邏輯調試及驗證。PLC具有使用靈活、操作可靠、工藝參數修改方便等特點，采用后可以大大提高設備的自動化水平和經濟效益。

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(責任編輯劉舸)

收稿日期：2015-02-21

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51305001)；安徽省自然科學基金資助項目(1208085QE94, 1308085ME65)；安徽省高等教育提升計劃省級自然科學研究項目(TSKJ2014B12)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201410363016)

作者簡介：王雷(1982—)，男，安徽亳州人，博士，副教授，主要從事數字化設計與智能制造方面的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.004

中圖分類號：TP241

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2015)07-0024-05

Design, Modeling and PLC Control of Industrial Feeding Mechanism
WANG Lei1,2, LI Ming1,2, YANG Cheng-gang3,

WEI Shu-ping1,2, HE Hui-juan1,2, LIU Chun-jing4

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University,

Wuhu 241000, China; 2. Anhui Key Laboratory of Advanced Numerical Control and

Servo Technology, Wuhu 241000, China; 3. Wuhu Port Storage & Transportation Co.,LTD.,

Wuhu 241006, China; 4. Department of Mechanical & Electronic Engineering,

Bengbu University, Bengbu 233030, China)

Abstract:The control on automatic feeding device by using PLC soft was studied, including its overall scheme design, the design and model of the mechanical structure, design for hydraulic drive system, PLC control, programming and so on. The program logic debugging and verification of the corresponding were carried out. The results show the correctness and effectiveness of the program, which can provide a reference for the design and control of complex feeding mechanism.

Key words：feeding mechanism; mechanical structural design; modeling; hydraulic drive; PLC control

引用格式：王雷，李明，楊成剛，等.工業送料機構設計、建模與PLC控制[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(7):24-28.

Citation format：WANG Lei, LI Ming, YANG Cheng-gang, et al.Design, Modeling and PLC Control of Industrial Feeding Mechanism[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(7):24-28.