基于PLC控制的鋼筋網下料機械手控制系統

張佃平

（寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川750021）

基于PLC控制的鋼筋網下料機械手控制系統

張佃平

（寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川750021）

針對設計的焊接鋼筋網下料機械手，分析下料工作要求和機械手的結構和動作要求，給出機械手的工作流程，繪制控制系統原理圖，利用PLC實現自動控制。通過PLC控制可以實現焊接鋼筋網的自動抓取下料，并且能夠按照生產要求實現多位置準確碼垛。

鋼筋網；PLC；機械手；設計

0 前言

鋼筋網焊接過程中，鋼筋網一般由人工完成下料和碼垛作業，需要專人完成此項工作，成本高、效率低、碼垛不準確，容易造成搭接焊點的損壞以及意外工傷事故[1-2]。有的鋼筋網焊接設備上添加了鋼筋網的自動下料裝置，主要以定點落料為主，存在的問題是落料高度不能調整，落料過程中容易損壞搭接焊點，且只能實現單工位落料碼垛，影響生產的連續性。

本研究針對鋼筋網焊接過程中鋼筋網的下料和碼垛自動化的需求，以及現有設備中存在的問題，設計了一套機械手，利用PLC可以實現焊接鋼筋網的自動抓取下料，并且能夠按照生產要求實現多位置準確碼垛。

1 總體設計

1.1 機械手機械部分

機械手的主要功能：（1）實現鋼筋網的自動抓取；（2）按照預定碼垛位置，完成鋼筋網的提升、轉運、下降和碼垛功能，并且實現多個位置的碼垛。

機械手機械部分主要由鋼筋網抓取機構、提升機構、旋轉機構以及機械手整體升降機構組成。機械手三維如圖1所示。

1.2 機械手動作要求

機械手主要動作分析：PLC接到單張鋼筋網焊接完成信息后，機械手下降到指定位置，此位置為機械手抓取動作開始的初始位置，由網焊機的工作臺面確定。機械手穩定后手抓動作實現鋼筋網的抓取，然后機械手整體提升，帶動鋼筋網上升到預定高度，此高度依據垛位的高低確定。機械手和懸臂帶動鋼筋網整體旋轉，到達指定垛位穩定后機械手下降，手抓松開實現碼垛，機械手下降的高度必須保

證碼垛時不損壞焊點，所以一般要求待碼垛鋼筋網與垛面的高度差小于10 cm。機械手的主要動作部件以及功用如表1所示。

1—機架；2—旋轉機構；3—提升立柱；4—整體提升機構；5—鋼筋網提升機構；6—抓取機構。圖1 機械手三維模型示意

表1 機械手的主要動作部件及功用

1.3 機械手碼垛位置說明

為了實現高效碼垛和充分利用車間位置，圍繞工作臺設置三個垛位。垛位位置與工作位置之間的位置關系如圖2所示。鋼筋網的焊接方向為從右向左，所以機械手首先對垛位三進行碼垛，達到規定要求后，再逐次對垛位二、垛位一進行碼垛。

圖2 垛位分布示意

2 系統設計及實現

機械手需要實現鋼筋網的抓取、提升、轉運和碼垛等主要操作，并且還要選擇垛位位置。所以控制系統要求[3]：（1）必須保證動作的連續性和銜接性，并能實現高速、穩定和高效運動。（2）實時性高，動態響應性能好。（3）高可靠性、安全性和穩定性。（4）實現自動和手動間的轉換，并具有垛位自識別功能。

綜合鋼筋網的下料和碼垛要求，并結合控制系統的要求，設計的控制系統原理如圖3所示。

圖3 下料機械手控制系統原理

3 系統軟件設計

整個系統是在PLC的協調控制下完成，調節過程中包括位置跟蹤、傳感器跟蹤雙級跟蹤調節。軟件運行流程如圖4所示[4]。

為了實現鋼筋網的準確抓取以及不影響焊接過程，采取兩種方式相結合來判定鋼筋網是否焊接結束。一是通過光電開關來判定最后一根鋼筋網上料結束；二是通過PLC的計數器計數，并且根據鋼筋網的不同規格實現可調。只有這兩個條件同時滿足，抓手才動作抓取鋼筋網。

利用懸臂升程限高的方式來實現垛位的選擇。當機械手碼垛鋼筋網懸臂到達限位開關位置，此垛位碼垛結束，下次機械手將在下一個垛位開始碼垛，以此類推。

4 結論

利用PLC簡單方便的優點實現對鋼筋網下料機械手的自動控制，可以實現鋼筋網的準確碼垛與多垛位碼垛。程序設計具備手動和自動的相互轉換，可以實現兩種方式控制，完成鋼筋網的抓取、轉運

以及多垛位碼垛，滿足了設備設計的技術要求，極大提高了鋼筋網焊機的自動化水平。

圖4 下料機械手碼垛流程框圖

[1]李亞軍，劉艷明.基于PLC的物流自動化包裝線出庫穿梭車的設計[J].制造業自動化，2014（10）：96-98.

[2]于會敏，李躍.網焊機專用機械手的設計[J].遼寧科技學院學報，2015，17（1）：25-27.

[3]張穎，來利根.全自動電焊機及其在煤礦的應用[J].礦山機械，2008，36（11）：4-6.

[4]張英華.焊接機器人工作的設計[J].電焊機，2014，44（8）：104-106.

Page 36砂輪磨削系統移動。

水平進給手輪24帶動水平進給絲杠6旋轉時，實現與水平進給螺母7配合運動，即可帶動水平進給螺母7與水平進給螺母固定架板26與帶輪固定板5、厚帶輪固定板14一起水平移動，也就帶動垂直進給絲杠9、17水平移動，進而使下面整個砂輪磨削系統隨之水平移動。且運動過程中，水平支杠16與水平支撐環15配合滑動，保證水平進給運動平穩性。

3.5 設計特點

該打磨機用于工地焊軌底焊筋打磨，無需手持，勞動條件好，效率高，適應現場作業環境；可直接固定在鋼軌上，解決了現有手持式砂輪必須手持操作的問題。與其他設備相比，砂輪厚度增大，效率更高，所需進給量小，進給無能運動簡單，操作簡便，更適合現場施工；自動化程度高，可加快施工整體進度，降低人工成本，且打磨質量易控。

在結構設計上，主要有以下特點：砂輪29厚度尺寸稍大于軌底寬度，只需在垂直和沿鋼軌軸線兩個方向進給運動；固定夾緊裝置采用與鋼軌底部尺寸對應的卡槽（設在固定夾板4上）；液壓馬達22輸出軸與砂輪軸間采用彈性聯軸器連接，結構緊湊，工作效率高；垂直方向進給運動采用同步帶輪系統，保證運動平穩性；水平方向進給運動通過手輪控制絲杠與螺母配合運動實現，易操作；垂直進給螺母和水平進給螺母的材料選用黃銅。

4 結論

設計的主要目的是改變工地焊軌軌底焊筋打磨方式，提高軌底打磨質量，改善工作條件，解放部分勞力，提高整體工作效率。生產出的樣機已經試用，操作方便，達到預期使用效果。

與現有技術相比，設計在以下方面有所改進：

（1）可固定到鋼軌上，無需人工手持，勞動量少，節約人力。

（2）通過鎖緊裝置固定到鋼軌上后，啟動液壓馬達，操作手輪、通過傳動系統實現進給運動，工作效率高。

（3）操作簡單易控。

（4）采用定制厚砂輪，其厚度稍大于軌底寬度，工作時只需兩個方向進給運動，在打磨量相同情況下所需進給運動幅度小，效率高。

參考文獻：

[1]彭新義.鋼軌打磨作業述評[J].鐵道標準設計通訊，1989（8）：37-43.

[2]周清躍，田常海，張銀花，等.高速鐵路鋼軌打磨關鍵技術研究[J].中國鐵道科學，2012，33（2）：66-70.

[3]周丹麥，周世恒，戴虹.一種高精度的鋼軌焊接接頭仿形打磨系統[J].電焊機，2013，43（12）：49-52.

Design of automatical control system for welded steel fabric unloading manipulator based on PLC

ZHANG Dianping
（School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

After analyzingthe structure ofthe manipulator，and the work requirements，and the workingprocess ofthe manipulator is given，and drawthe principle diagramofthe control system，usingPLCtorealize automatic control.At the end realize the automatical control for the manipulator byPLC.The manipulator can grab the welded steel fabrics automatically，and stack the welded steel fabrics on multi positions.

welded steel fabric；PLC；manipulator；design

TG409

B

1001－2303（2016）09－0045-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.11

2015-10-20；

2016-08-30

張佃平（1981—），男，山東臨沂人，講師，主要從事機械制造和機械設計的教學與研究工作。