基于PLC控制的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)研究

王宇鋼，朱彥松

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

0 引言

工業(yè)用機(jī)械手可以模仿人手的動(dòng)作功能，已廣泛用于抓放材料、搬運(yùn)物件或操持工具等工作[1]。氣缸驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、反應(yīng)靈敏、易于維護(hù)和控制等特點(diǎn)，在機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中被大量采用[2]。利用PLC作為機(jī)械手的控制核心，相比傳統(tǒng)基于繼電器-接觸器的控制模式可有效提高系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性。隨著閥島技術(shù)的發(fā)展，利用PLC控制氣動(dòng)機(jī)械手已變得越來越普遍[3]。

針對(duì)活塞桿零件滾絲加工生產(chǎn)的自動(dòng)化上下料問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的氣壓驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手，將該系統(tǒng)與滾絲機(jī)配套使用，對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率和智能程度具有積極意義。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 搬運(yùn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手主要用于將活塞桿工件從料臺(tái)搬運(yùn)至滾絲專機(jī)，或?qū)⒓庸ず玫墓ぜ臐L絲專機(jī)搬運(yùn)至下料臺(tái)。為了避免加工零件與機(jī)床發(fā)生干涉，機(jī)械手采用架空式布局，通過連接支架將搬運(yùn)機(jī)械手與滾絲機(jī)相連，如圖1所示。

圖1 機(jī)械手安裝圖

1.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)

結(jié)合活塞桿滾絲加工過程，機(jī)械手上料完成動(dòng)作如下：機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)抓取工件，向上提起，橫向移動(dòng)至兩滾絲輪軸心連線中點(diǎn)正前方，然后向下運(yùn)動(dòng)松開工件，放置于定位元件V型塊上。機(jī)械手上升，橫向移動(dòng)返回上料初始位置。下料過程功能和執(zhí)行動(dòng)作與上料過程相似。

根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手由三個(gè)主要部件組成：氣動(dòng)手指、三桿氣缸、磁耦無桿氣缸[4]。一個(gè)氣動(dòng)手指實(shí)現(xiàn)抓和放工件動(dòng)作，氣動(dòng)手指通過連接塊與一個(gè)垂直方向的三桿氣缸連結(jié)，三桿氣缸實(shí)現(xiàn)豎直方向上升和下降運(yùn)動(dòng)，三桿氣缸通過連接板與一個(gè)水平方向的磁耦無桿氣缸滑塊連結(jié)，在水平方向磁耦無桿氣缸裝載三桿氣缸及氣動(dòng)手指往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

采用氣動(dòng)手爪作為機(jī)械手的終端執(zhí)行部件。帶導(dǎo)桿氣缸將與活塞平行的導(dǎo)桿與氣缸組成一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊，導(dǎo)向精度高，能承受較大的橫向負(fù)載和力矩的特點(diǎn)，因此用于連接氣動(dòng)手爪，實(shí)現(xiàn)豎直方向上下運(yùn)動(dòng)。無桿氣缸可承受高懸臂負(fù)載，具有省空間，重量輕，自導(dǎo)向，行程可變多樣的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于懸掛機(jī)械設(shè)備移動(dòng)。為了匹配機(jī)械手架空式布局，機(jī)械手設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手采用無桿氣缸帶動(dòng)懸臂水平移動(dòng)。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照氣缸的工作原理，在機(jī)械手的搬運(yùn)動(dòng)作過程中，采用3個(gè)三位四通電磁閥6個(gè)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)下降-抓緊-上升-左平移-下降-放開-上升-右平移復(fù)位動(dòng)作，并且各氣路中均配置了節(jié)流閥，可以調(diào)節(jié)氣流速度。此外，氣動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)部分采用了信號(hào)開關(guān)：左右極限位置各用1個(gè)磁電開關(guān)，上下極限位置也各采用1個(gè)磁電開關(guān)。最后機(jī)械手再配上3個(gè)按鈕，分別用于啟動(dòng)、停止和重啟。氣動(dòng)原理圖如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC型號(hào)的選擇

分析搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)行需求可知，其共需7個(gè)輸入端子和6個(gè)輸出端子，PLC的地址分配表如表1所示。

表1 氣動(dòng)機(jī)械手PLC地址分配表

由西門子生產(chǎn)的S7－200系列PLC可滿足控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的 PLC 地址分配[5]。S7－200（CPU224）型號(hào)PLC共有14個(gè)輸入點(diǎn)、10個(gè)輸出點(diǎn)，5KB內(nèi)存，6個(gè)計(jì)數(shù)器以及256個(gè)定時(shí)器。PLC和有關(guān)信號(hào)的系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)接線圖

3.2 PLC的程序設(shè)計(jì)

順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，也是設(shè)計(jì)PLC的順序控制程序的有力工具。所謂的順序控制，就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，在生產(chǎn)過程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地、有秩序地進(jìn)行操作。順序設(shè)計(jì)法最基本的思想是將系統(tǒng)的一個(gè)工作周期劃分為若干個(gè)順序相連的階段，這些階段稱為步（Step），然后用編程軟件（例如存儲(chǔ)器位M）來代表各步。運(yùn)用PLC進(jìn)行順序控制時(shí)常采用順序功能圖描述程序的設(shè)計(jì)思想，然后根據(jù)順序控制指令編寫符合程序設(shè)計(jì)思想的程序[6]。

順序功能圖是設(shè)計(jì)梯形圖程序的基礎(chǔ)，通過控制指令可將順序功能圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的梯形圖程序。本文根據(jù)機(jī)械手執(zhí)行動(dòng)作的控制要求，按照輸出量的狀態(tài)變化，將機(jī)械手搬運(yùn)動(dòng)作的一個(gè)工作周期分為9個(gè)順序相連的執(zhí)行步（M0-M8），設(shè)計(jì)的機(jī)械手搬運(yùn)功能流程圖如圖5所示。

圖5 功能流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的氣壓驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手，可用于活塞桿零件滾絲加工生產(chǎn)的自動(dòng)化上下料。該機(jī)械手采用氣缸驅(qū)動(dòng)方式，可以充分利用豐富的空氣介質(zhì)減小開發(fā)成本，同時(shí)因氣缸移動(dòng)迅速，結(jié)構(gòu)簡單，降低了維護(hù)難度，提高了工作效率。

同時(shí)，采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的氣動(dòng)控制，相比較傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，由于利用可編程序存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)控制功能，提高了控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。此外，通過軟件編程的方式控制電磁閥的開關(guān)通斷，可迅速調(diào)節(jié)空氣的流速和方向，提高了控制的精度。