工業(yè)送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽 蕪湖　241000；

2.先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖　241000；

3.蕪湖港儲(chǔ)運(yùn)股份有限公司，安徽 蕪湖　241006；

4.蚌埠學(xué)院 機(jī)電系，安徽 蚌埠　233030)

工業(yè)送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽 蕪湖241000；

2.先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241000；

3.蕪湖港儲(chǔ)運(yùn)股份有限公司，安徽 蕪湖241006；

4.蚌埠學(xué)院 機(jī)電系，安徽 蚌埠233030)

摘要：研究了通過PLC控制的自動(dòng)送料裝置，包括總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC控制與編程等。對(duì)編制的程序進(jìn)行了相應(yīng)的邏輯調(diào)試及驗(yàn)證。結(jié)果表明：所編制的程序正確、有效。該研究成果為復(fù)雜送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制提供參考。

關(guān)鍵詞：送料機(jī)構(gòu)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建模；液壓驅(qū)動(dòng)；PLC控制

現(xiàn)代機(jī)械制造企業(yè)要提高產(chǎn)品生產(chǎn)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，首先必須從自動(dòng)化送料機(jī)構(gòu)開始，因此工業(yè)送料機(jī)構(gòu)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)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(xiàn)出的綜合優(yōu)勢(shì)，其在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。本文應(yīng)用PLC控制自動(dòng)送料裝置，主要研究?jī)?nèi)容包括總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC控制與編程等。

1工業(yè)送料機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)及選取

1.1　工業(yè)送料機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)

對(duì)工業(yè)送料機(jī)構(gòu)的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾取、搬運(yùn)和釋放物料，這就要求它具有精度高、反應(yīng)速度快、承載能力強(qiáng)、工作空間范圍大、自由度靈活及能自動(dòng)定位在任意位置等特性。本研究設(shè)計(jì)的送料機(jī)構(gòu)將物料從一個(gè)工位搬運(yùn)到另一個(gè)工位，以此實(shí)現(xiàn)物料的靈活轉(zhuǎn)換[7]。

由于送料機(jī)構(gòu)的位置功能主要是在兩個(gè)工位之間進(jìn)行工件(物料)的搬運(yùn)，所以對(duì)整個(gè)送料機(jī)構(gòu)的自由度要求不是很高，2~3個(gè)自由度即可滿足要求。

根據(jù)物料是在兩個(gè)工位之間運(yùn)送的相關(guān)要求，在對(duì)大量的文獻(xiàn)進(jìn)行了分析與總結(jié)后擬定出以下3種工業(yè)送料方案。

1) 方案1

原理如圖1所示。方案1的工件送料機(jī)構(gòu)有2個(gè)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(gè)方向運(yùn)動(dòng)?；竟ぷ髟恚河肁、B兩個(gè)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(biāo)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(jī)落入接料槽；依此循環(huán)往復(fù)，完成周而復(fù)始的送料。

2) 方案2

原理如圖2所示[8]。方案2的送料機(jī)構(gòu)有2個(gè)自由度，即沿水平移動(dòng)氣缸方向和沿垂直移動(dòng)氣缸方向?；竟ぷ髟恚菏紫热∥镅b置(負(fù)壓吸盤)抓取物料，燃火水平氣缸和豎直氣缸運(yùn)動(dòng)，到達(dá)相應(yīng)的位置后取物裝置放下物料，再回到物料搬運(yùn)的起點(diǎn)，這樣循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位間的物料搬運(yùn)。

圖1　方案1原理

1.水平移動(dòng)氣缸；2.垂直移動(dòng)氣缸；3.立柱 ；4.擺動(dòng)氣缸；

3) 方案3

原理如圖3所示[4]。方案3的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位間的移料動(dòng)作，手臂具有回轉(zhuǎn)、升降及伸縮運(yùn)動(dòng)。該送料機(jī)構(gòu)具有3個(gè)自由度，即回轉(zhuǎn)自由度θ(正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))、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(yùn)過程中無需改變工件的姿勢(shì)，因此可以省略手腕模塊(只設(shè)計(jì)夾緊和放開，而不設(shè)計(jì)抓取手腕的回轉(zhuǎn))。根據(jù)工件外形(圓形物料)，夾持部分采用兩指手爪，具有一個(gè)開合運(yùn)動(dòng)(夾緊和放松)[4-5]。

1.2　工業(yè)送料機(jī)構(gòu)方案評(píng)價(jià)及選取

方案1的優(yōu)點(diǎn)：只有A和B兩個(gè)氣缸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，物料只有2個(gè)自由度，操作和控制方便，基本能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位間物料運(yùn)輸。

方案1的缺點(diǎn)：整個(gè)送料機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為2，所以靈活性低，只能在1個(gè)平面內(nèi)送料，且沒有物料抓取裝置，所以實(shí)用性、通用性不高。

方案2的優(yōu)點(diǎn)：有2個(gè)氣缸和1個(gè)抓取裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)抓取物料、水平和豎直移動(dòng)這3個(gè)動(dòng)作，操作和控制也比較方便，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位間物料的運(yùn)送問題。

方案2的缺點(diǎn)：與方案1類似，只有2個(gè)自由度，所以整個(gè)機(jī)構(gòu)的靈活性不高，而且只能在1個(gè)平面內(nèi)送料，盡管有取物裝置，但其通用性不高。

方案3的優(yōu)點(diǎn)：較前兩個(gè)方案該機(jī)構(gòu)自由度為3，所以靈活性比前兩個(gè)方案要高；另外該方案能實(shí)現(xiàn)空間任意位置物料的運(yùn)送，其通用性、實(shí)用性也比較好；有機(jī)械抓取裝置，對(duì)物料外形要求較低。

方案3的缺點(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作和控制也較繁瑣。

在充分考慮整個(gè)送料機(jī)構(gòu)的靈活性和實(shí)用性的基礎(chǔ)上，選取方案3作為設(shè)計(jì)的送料機(jī)構(gòu)方案，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

圖3　方案3原理

2工業(yè)送料機(jī)構(gòu)建模

工業(yè)送料機(jī)構(gòu)(本文指機(jī)械手)結(jié)構(gòu)可分為基座、立柱、手臂、手腕、手部等模塊。各個(gè)模塊根據(jù)功能需要又可進(jìn)一步劃分。機(jī)械手的各組成部分如圖4所示[9]。

圖4　機(jī)械手的各組成部分

2.1　工業(yè)送料機(jī)構(gòu)的手部設(shè)計(jì)

各組成部分需要完成特定的功能。首先設(shè)計(jì)手部模塊。由于本文所運(yùn)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(gè)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(yè)送料機(jī)構(gòu)的手臂部分設(shè)計(jì)

手臂是支撐手部和工件并使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)[3]。手臂一般有3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降，其中旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)是由橫臂和立柱完成。

1) 送料機(jī)構(gòu)橫臂設(shè)計(jì)

作直線運(yùn)動(dòng)橫臂的結(jié)構(gòu)基本上是由驅(qū)動(dòng)液壓缸和導(dǎo)桿組成，液壓缸采用雙作用單活塞桿實(shí)現(xiàn)橫臂往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)上采用液壓缸體固定在橫臂支撐上，活塞桿運(yùn)動(dòng)，橫臂最大行程為200 mm。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)出一種橫臂支撐裝置，如圖8所示。

送料機(jī)構(gòu)在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以及加大承載能力、提高運(yùn)動(dòng)精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。本送料機(jī)構(gòu)將液壓缸缸體固定在橫臂支撐上，導(dǎo)桿穿過旁邊小孔，這樣可以有效避免旋轉(zhuǎn)，提高承載能力和運(yùn)動(dòng)精度。根據(jù)上述要求建立三維模型，再將其進(jìn)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(jī)構(gòu)豎直臂設(shè)計(jì)

豎直臂與橫臂類似，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為液壓缸驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為單導(dǎo)桿導(dǎo)向，其最大行程為100 mm。最后將導(dǎo)桿和套筒進(jìn)行裝配，如圖10所示。

2.3　送料機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及底座設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)送料機(jī)構(gòu)手臂回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)形式有多種。本送料機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，即通過齒條往復(fù)移動(dòng)帶動(dòng)與手臂聯(lián)接的齒輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)部分，是支撐起送料機(jī)構(gòu)的構(gòu)件。送料機(jī)構(gòu)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(jié)合以上要求設(shè)計(jì)出的送料機(jī)構(gòu)底座如圖12所示。

2.4　送料機(jī)構(gòu)三維裝配圖

利用虛擬裝配技術(shù)得到送料機(jī)構(gòu)的裝配圖，如圖13所示。

圖12　送料機(jī)構(gòu)底座零件圖

圖13　送料機(jī)構(gòu)的裝配圖

3液壓驅(qū)動(dòng)原理圖設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的送料機(jī)構(gòu)要完成移料動(dòng)作，因此需要對(duì)液壓缸的位置進(jìn)行精確控制[10]。每一個(gè)送料機(jī)構(gòu)里的自由度對(duì)應(yīng)的液壓缸在送料過程中僅有兩個(gè)位置供停止。由于實(shí)際應(yīng)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(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)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(dòng)。另外，為了防止立式液壓缸和垂直運(yùn)動(dòng)的工作部件由于自身重力而超速下降，或在下行運(yùn)動(dòng)中由于自重而導(dǎo)致發(fā)生失控、失速等不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，液壓系統(tǒng)中必須設(shè)置平衡回路?；谝陨戏治?，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理如圖14所示。

圖14　液壓系統(tǒng)原理

4工業(yè)送料機(jī)構(gòu)PLC控制程序設(shè)計(jì)

送料機(jī)構(gòu)的循環(huán)動(dòng)作為：下降→夾緊→上升→正轉(zhuǎn)→伸出→放松→縮回→反轉(zhuǎn)→下一循環(huán)。按照此循環(huán)動(dòng)作，設(shè)計(jì)了輸入和輸出之間的分配關(guān)系[11-12]，如表1所示。

表1　輸入和輸出之間的分配關(guān)系

根據(jù)實(shí)現(xiàn)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(duì)編制的程序進(jìn)行了相應(yīng)的邏輯調(diào)試及驗(yàn)證，結(jié)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(jié)束語

本文根據(jù)要完成移料動(dòng)作的功能要求，對(duì)自動(dòng)送料裝置進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC控制與編程等。對(duì)編制的程序進(jìn)行了相應(yīng)的邏輯調(diào)試及驗(yàn)證。PLC具有使用靈活、操作可靠、工藝參數(shù)修改方便等特點(diǎn)，采用后可以大大提高設(shè)備的自動(dòng)化水平和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊化動(dòng)，張亦靜.自動(dòng)制釘機(jī)送料機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，8(2):174-178.

[2]羅文翠，王玉虎.棒料剪斷機(jī)送料機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2008，21(2):62-64.

[3]羅云華，張祥林，張穎，等.多工位自動(dòng)送料系統(tǒng)的送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[J].鍛壓技術(shù)，2004(4):54-57.

[4]鄧大偉.基于PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[5]董繼先，趙志明，李敏康.面粉微量添加系統(tǒng)中螺旋送料機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)[J].糧食與飼料工業(yè)，2006(2):11-12.

[6]Do Yun Koo，Soon-Hung Han，Soo-Hong Lee.An object-oriented configuration design method for paper feeding mechanisms[J].Expert Systems with Applications，1998，14 (3):283-289.

[7]江應(yīng)國.注塑機(jī)專用機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究[D].南昌：江西理工大學(xué)，2008.

[8]彭堅(jiān).氣動(dòng)機(jī)械手及其PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通用機(jī)械，2004(7):52-54.

[9]陸詳生，楊秀蓮.機(jī)械手理論及應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社，1985.

[10]王桂榮，劉芳璇，許宏，等.多液壓缸控制系統(tǒng)的同步設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2013(4):96-99.

[11]趙益富， 王振友，趙連軍，等.PLC控制在溫度計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(11)：94-97.

[12]閆肅，諶海云，杜振華，等.基于PLC的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013(6):63-65.

(責(zé)任編輯劉舸)

收稿日期：2015-02-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305001)；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1208085QE94, 1308085ME65)；安徽省高等教育提升計(jì)劃省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(TSKJ2014B12)；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410363016)

作者簡(jiǎn)介：王雷(1982—)，男，安徽亳州人，博士，副教授，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)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(hào)：TP241

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(yè)送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模與PLC控制[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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.