PLC物料自動上下料機械手控制系統的設計

摘 要：本文從物料檢測機實際工作要求出發，設計了一種采用機械手的自動上下料電路控制系統，該系統利用西門子S7-PLC作為控制器，能夠服務于為物料檢測的裝置，做到了物料自動上下料作業，這樣不僅可代替人工按照指定的工序進行上下料，還可以提高企業生產線的效率，并為后期的設備改進提供理論依據，具有較高的工程意義。

關鍵詞：物料；上下料，機械手；PLC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.110

1 上下料機械手簡述

上下料機械手主要實現機床制造過程的完全自動化，并采用了集成加工技術，適用于生產線的上下料、工件翻轉、工件轉序等。在國內的機械加工， 現今很多都是使用專機或人工進行機床上下料的方式， 這在產品比較單一、產能不高的情況下是非常適合的， 但是隨著社會的進步和發展， 科技的日益進步， 產品更新換代加快， 使用專機或人工進行機床上下料就暴露出了很多的不足和弱點， 一方面專機占地面積大結構復雜、維修不便， 不利于自動化流水線的生產；另一方面， 它的柔性不夠， 難以適應日益加快的變化，不利于產品結構的調整；其次， 使用人工會造成勞動強度的增加， 容易產生工傷事故， 效率也比較低下， 且使用人工上下料的產品質量的穩定性不夠， 不能滿足大批量生產的需求。

使用上下料機械手自動柔性搬運系統就可以解決以上問題， 該系統具有很高的效率和產品質量穩定性， 柔性較高且可靠性高， 結構簡單更易于維護， 可以滿足不同種類產品的生產， 可以很快進行產品結構的調整和擴大產能， 并且可以大大降低產業工人的勞動強度。

機械手組成部分有：立柱、橫梁（X軸）、豎梁（Z軸）、控制系統、上下料系統、手爪系統等?？刂葡到y通過傳感器所檢測出來的信號，傳送到PLC控制中心，經PLC程序的精準運算，產生控制信號，控制驅動裝置，手爪裝置至目標位置抓取物料，并將其送到指定位置。手爪系統是完成上、下料工作的主要運動部件，目前應用于上下料機械手的抓取模式一般有：機械結構式抓取、電磁式吸取、氣動式吸取三種。

2 控制系統的硬件設計

2.1 控制任務要求

機械手從初始位置出發，PLC在通過傳感器獲得物料的位置信號后，驅動 X-Y軸的電機帶動末端手爪運行到 X-Y 正交平面的目標吸取位置；控制上下氣缸的電磁閥線圈通電，上下氣缸下移；滑臺氣缸運動到目標位置時，電磁式吸頭自動將物料吸取，吸取成功后，電磁閥失電，滑臺氣缸上移；PLC通過傳感器獲得上移到位信號后，驅動 X-Y軸的電機帶動手爪運動到目標放置位置；控制上下氣缸的電磁閥得電，滑臺氣缸下移；滑臺氣缸運動到目標位置時，電磁閥控制小氣缸往電磁式吸頭噴氣并將物料放入指定位置，完成放置動作；若無故障，在完成一次吸取、放置動作后，機械手將自動循環運行。而抓取、放置過程中任何環節出現故障都會使該機械手停機檢查，避免出現事故發生。

2.2 PLC的選型

本控制電路的開關電源為 24V，輸入端總點數為21個，輸出端總點數為12個，即輸入輸出總點數為33，考慮到選用的PLC輸入輸出點數應該留有10%以上的冗余，以及綜合考慮成本與性能，所以本控制系統選用西門子s7-200CPU226作為本系統的PLC。

2.3 伺服電機控制電路設計

本機械手伺服電機采用的是雙脈沖控制的方式。

CW-：輸出正脈沖方向， CCW-：輸出負脈沖方向； CW+：直接連接脈沖接收端與電源正極，控制對應接收端的負極，CCW+同理，也是如此。伺服接線具體如圖1所示：

3 控制系統軟件設計

3.1 plc輸入輸出端口分配

I0.0：X零信號；I0.1：Y零信號；I0.2：撞擊檢測；I0.3：X前限；I0.4：X后限；I0.5：X到位；I0.6：X報警；I0.7：Y前限；I1.0：Y后限；I1.1：Y到位；I1.2：Y報警；I1.3：大氣缸前限；I1.4：小氣缸前限；I1.5：大氣缸后限；I1.6：小氣缸后限；I1.7：Z氣缸上限；I2.0：啟動1；I2.1：啟動2；I2.2：急停；Q0.1：XCCW； Q0.2：XCW； Q0.3：YCW； Q0.4：YCCW； Q0.5：Z氣缸； Q0.6：料缸1； Q0.7：料缸2； Q1.0：蜂鳴器； Q1.1：三色紅； Q1.2：三色綠； Q1.3：三色黃；Q1.4：氣夾。

3.2 PLC程序設計

在機械手開機瞬間，機床主軸回到原點，機床復位；復位完成后，啟動主程序，自動循環程序，當系統無故障時，操作人員依照要求按下雙手啟動按鈕，機械手按照預先編寫的程序完成搬運工作；自動循環；在機械手系統出現故障或安裝調試過程中，使用手動控制程序將系統恢復到正常運行狀態；當機械手在工作過程中出現各類故障時通過保護程序實現對機械手和操作人員的保護。

3.3 觸摸屏界面設計

人機用戶界面主要由起始點位置界面、復位界面、自動運行界面、手動運行界面等組成。復位界面實現對機械手的主軸和手爪進行復位重置。自動運行界面是在機械手進行自動上、下料過程中，對當前工作模式的監測，并對機械手的產量進行統計。手動運行界面的手動按鈕則是完成對機械手在 X-Y 正交平面的往復運動、精密滑臺氣缸在 Z 方向的升降動作及手爪小氣缸的氣壓輸出動作。

4 結束語

本文根據工廠需要為物料檢測機配備自動上下料系統的要求，對機械手電控系統進行了設計。該系統基于西門子PLC 控制，能夠服務于為物料檢測裝置，實現自動上下料作業。運行調試后，安全可靠，達到了設計要求。

參考文獻：

[1]方靈峰.電芯自動上下料機械手系統的研發[D].浙江理工大學[碩士論文].2016-12-01 9.

[2]趙錦榮.拉伸機專用上下料機械手的設計與控制系統研究[D]. 蘇州大學，2012.

作者簡介： 任琪（1975-），女，湖南衡陽人，碩士，副教授，研究方向： 自動控制理論，PLC技術。