基于PLC的旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐艷英

摘要：在生產(chǎn)過程中，隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)頻繁出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中，將工件進(jìn)行分揀，然后放置到不同位置進(jìn)行加工或包裝。本系統(tǒng)就是基于這樣一種需求的一個項(xiàng)目設(shè)計(jì)，完成的任務(wù)是對物料進(jìn)行搬運(yùn)及轉(zhuǎn)移。傳統(tǒng)的機(jī)械手臂的運(yùn)動無法預(yù)知被控量與實(shí)際量的誤差，本設(shè)計(jì)改變傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)氣缸控制為步進(jìn)電機(jī)控制，有效提高了手臂的運(yùn)動精度。系統(tǒng)的運(yùn)行過程通過PLC來完成控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;步進(jìn)電機(jī);PLC

1? 系統(tǒng)說明

1.1 概述

機(jī)械手控制方式采用氣壓傳動，利用PLC程序來控制機(jī)械手的運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成。由于氣動機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，其正在向重復(fù)高精度、模塊化、機(jī)電一體化方向發(fā)展，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。但傳統(tǒng)的機(jī)械手采用旋轉(zhuǎn)氣缸控制，誤差大精度低，本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，大大提高了運(yùn)行精度。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2 系統(tǒng)特征

本系統(tǒng)具有如下一些特征：①模塊化。本系統(tǒng)包括加載/卸載模塊、旋轉(zhuǎn)模塊、PLC模塊和閥門模塊。組裝比較清晰明了，機(jī)械構(gòu)建比較簡單。②快速設(shè)置和更新。本系統(tǒng)采用PLC控制，程序易于更改。硬件設(shè)施易拆建，有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代，不斷向更高的方向發(fā)展。③重量輕。該系統(tǒng)架構(gòu)采用鋁制材料，比較輕便，利于一些實(shí)驗(yàn)場合的搬運(yùn)等，同時也可節(jié)約存放空間。④改進(jìn)后的步進(jìn)電機(jī)控制運(yùn)行精度更高，定位更準(zhǔn)確，噪聲大大的降低。

1.3 步進(jìn)電機(jī)原理、特點(diǎn)及選型

1.3.1 步進(jìn)電機(jī)的原理

步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于受脈沖的控制，轉(zhuǎn)子的角位移量和速度與輸入脈沖的數(shù)量和頻率成正比，通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;通過改變輸入電源的相序，達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的;通過控制脈沖頻率開控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

1.3.2 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

①步進(jìn)電機(jī)動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)和變速;②步進(jìn)電機(jī)角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，誤差小;③速度調(diào)節(jié)平滑，低速下仍能保持較大轉(zhuǎn)矩。

1.3.3 步進(jìn)電機(jī)的選型

項(xiàng)目設(shè)計(jì)時，步進(jìn)電機(jī)的選用需要考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩必須符合負(fù)載運(yùn)動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率的要求。負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要有計(jì)算法、試驗(yàn)法、類比法三類方法。計(jì)算法需要大量復(fù)雜的公式計(jì)算，應(yīng)用較少;試驗(yàn)法誤差較大，操作方法是在負(fù)載上加個杠桿，然后用彈簧秤去拉杠桿，負(fù)載轉(zhuǎn)動時的拉力乘以力臂長度就是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。通過對步進(jìn)電機(jī)負(fù)載質(zhì)量、運(yùn)動速度、機(jī)構(gòu)設(shè)置等方面的比較，進(jìn)而來選擇電機(jī)。步進(jìn)驅(qū)動器有整步、半步、細(xì)分三種驅(qū)動模式。細(xì)分具有低俗振動小和定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用細(xì)分驅(qū)動。

2? 項(xiàng)目構(gòu)成模塊

2.1 加載/卸載模塊的工作過程

每個部分的單元將執(zhí)行下列動作：①橫向氣缸可以作Y軸的橫向移動。②垂直氣缸可以帶動機(jī)械夾子垂直向上和向下移動。③水平將帶動夾子作橫向X軸運(yùn)動。④轉(zhuǎn)角夾子可以抓起搬運(yùn)對象。整個模塊的工作過程如下：PLC控制橫向氣缸將需運(yùn)送的送料從進(jìn)料口轉(zhuǎn)移至機(jī)械夾子下方，再通過垂直氣缸使夾子接近物料，并夾起物料，垂直氣缸將物料升起，此時再通過水平氣缸將物料搬運(yùn)至轉(zhuǎn)盤位置，垂直氣缸將夾子下放并松開，放下物料。這樣就完成了將物料從原先位置搬運(yùn)到轉(zhuǎn)盤上的動作。

2.2 模塊上的組件（如表1）

2.3 PLC 模塊

本系統(tǒng)的控制對象是各類型的氣缸，要求控制線路簡單明了，抗干擾能力較強(qiáng)，需要控制五個氣缸，控制方式采用手動/自動轉(zhuǎn)換，輸入口需要14個，輸出口需要11個，系統(tǒng)工作環(huán)境要求PLC體積較小，工作性能穩(wěn)定。權(quán)衡各類控制器，選擇使用三菱FX3U-48M PLC來實(shí)現(xiàn)控制。

PLC I/O分配。分析完項(xiàng)目的流程進(jìn)行I/O分配，具體分配如表2所示。

2.4 閥門模塊

從閥座上提起，閥門打開;斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。它是一種直動和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理，當(dāng)入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門打開。當(dāng)入口與出口達(dá)到啟動壓差時，通電后，電磁力先導(dǎo)小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開;斷電時，先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動關(guān)閉件，向下移動，使閥門關(guān)閉。

3? 機(jī)械裝調(diào)

該系統(tǒng)所有的模塊需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)安裝調(diào)試，具體有皮帶輸送機(jī)及機(jī)架、工件分揀裝置、機(jī)械手、圓盤、警示燈等，安裝前應(yīng)清點(diǎn)工具及器材，檢查相關(guān)部件，清掃安裝平臺，認(rèn)真閱讀工作任務(wù)書與安裝圖，明確安裝尺寸的要求，安裝完成后要進(jìn)行調(diào)試。安裝精度要求輸送機(jī)、接料口高度差不能超過±1mm，調(diào)試要求：調(diào)試過程不能用手接觸帶電部分和運(yùn)動的機(jī)械部件，各個模塊部件能平穩(wěn)運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)中要求的各種運(yùn)行功能并在規(guī)定時間內(nèi)完成。

4? 步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手的計(jì)算

在分析機(jī)械手各個軸運(yùn)動的基礎(chǔ)上，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)、脈沖頻率的計(jì)算，從而設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動器的參數(shù)。

同步皮帶輪和皮帶來控制X軸的運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)帶動驅(qū)動輪控制皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動輪的外徑為D，移動距離為D1，要求時間為2s，電機(jī)的步距角為1.8°，細(xì)分?jǐn)?shù)是4，則X軸脈沖當(dāng)量為0.005mm/PLS，脈沖數(shù)為P=X/0.005PLS，頻率為2600HZ。參數(shù)SW1、SW2、SW3主要控制輸出電流，均置為OFF。電機(jī)停止時，X軸置于水平位置，驅(qū)動器用半流讓電機(jī)鎖住，減少發(fā)熱，SW4置為ON。

Y軸驅(qū)動為絲杠加螺母副。絲杠的螺距為4mm，步距角為1.8°，細(xì)分?jǐn)?shù)是4，最大的速度為13mm/s，實(shí)際前進(jìn)為X，脈沖當(dāng)量為0.005mm/PLS，脈沖數(shù)為P=X/0.005PLS，頻率為2600HZ。參數(shù)調(diào)成SW1-ON、SW2-ON、SW1-OFF，Y軸為水平位置，為了減少發(fā)熱，SW4置為ON。Z軸的設(shè)置同Y軸設(shè)置相似，SW5-ON、SW6-OFF、SW8-ON。

5? 程序設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)思路

從控制要求分析可知，本系統(tǒng)具有以下功能：供料、搬運(yùn)、卸載、急停，從它的控制要求分析可知，本系統(tǒng)裝置中的基本動作都是順序控制，因此在動作設(shè)計(jì)時既可采用基本指令實(shí)現(xiàn)動作，也可采用三菱PLC的步進(jìn)指令作為設(shè)計(jì)導(dǎo)向。它的整個控制過程如下：系統(tǒng)通電后，電源指示燈亮，打開自動選擇開關(guān)，按下啟動按鈕，工作指示燈亮，橫向氣缸先伸出，在供料區(qū)收取物料后縮回，垂直氣缸伸出，機(jī)械夾子夾緊，夾起物料。水平氣缸伸出，將物料送至轉(zhuǎn)盤位置，機(jī)械夾子松開，放下物料，步進(jìn)電機(jī)停止，水平氣缸復(fù)位。同時緊湊型氣缸至位，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)90度，緊湊型氣缸復(fù)位，步進(jìn)電機(jī)停止，系統(tǒng)恢復(fù)到原始狀態(tài)，并開始下一個循環(huán)。

5.2 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試前，需要判斷系統(tǒng)各硬件部分是否能正常工作。首先判斷各限位傳感器是否工作正常，將24V電源接通推拉氣缸，將水平和垂直氣缸置位或復(fù)位來檢測傳感器，氣缸到位傳感器燈亮，則工作正常，如燈不亮則對應(yīng)接線圖檢查傳感器接線是否正確。其次檢查各電磁閥是否正常，手動控制電磁閥開關(guān)，檢查氣缸的運(yùn)動。若氣缸不運(yùn)動，則對照氣動連接圖檢查氣路是否連通，或是檢查電磁閥接線是否正確。檢查步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)是否設(shè)置正確，并進(jìn)行電源等的檢查。最后，對照PLC接線圖檢查電氣連接線路是否正確，檢查空氣是否泄漏和空氣壓力的氣動連接是否準(zhǔn)確。然后打開手動/自動開關(guān)，讓系統(tǒng)自動運(yùn)行，觀察工作指示燈是否點(diǎn)亮，判斷各個氣缸工作順序是否正常，系統(tǒng)能否將物料進(jìn)行搬運(yùn)，轉(zhuǎn)盤是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

6? 項(xiàng)目總結(jié)

本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)針對氣動傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)，搭建了由三菱PLC為控制核心的旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)系統(tǒng)。通過對該氣動傳動裝置的設(shè)計(jì)、裝配以及程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在PLC控制下的氣缸順序動作控制，完成了以氣動系統(tǒng)作為主要的動力源實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)和分揀操作。使筆者更加深入理解氣動回路的設(shè)計(jì)方法以及熟悉PLC控制的工作原理。本次設(shè)計(jì)中利用步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手的運(yùn)行，克服了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)氣缸控制中運(yùn)行精度低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手搬運(yùn)物料較平滑的控制，但是還有許多有意義的工作沒有深入進(jìn)行，主要有以下幾點(diǎn)：①繼續(xù)深化新的工作原理的研究，并將其完善，擴(kuò)展到其他類型的氣動控制系統(tǒng)。②繼續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。③討論其他控制方法在機(jī)械手中的應(yīng)用，提高控制的精確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]人力資源和社會保障部教材辦公室組織編寫，PLC應(yīng)用技術(shù)[M].中國勞動社會保障出版社，2012.

[2]趙波，王宏遠(yuǎn).液壓與氣動技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]孫寶元，楊寶清.傳感器及其應(yīng)用手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京高等教育出版社，2012.

[5]楊少光.機(jī)電一體化設(shè)備的組裝與調(diào)試[M].廣西教育出版社，2009.