摘 要： 為了降低氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，介紹了基于PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)中PLC的選擇、PLC與器件的邏輯電路連接、I/O的分配及氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)的氣動(dòng)原理和工作原理等。與同類系統(tǒng)相比，節(jié)省了大量的電氣元件，大大降低了開(kāi)發(fā)成本。
??? 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；氣動(dòng)；可編程控制器；自動(dòng)控制
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?? 在工業(yè)生產(chǎn)中，利用氣動(dòng)機(jī)械手將工件從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另一條生產(chǎn)線是一種高效的工作方式[1]。氣動(dòng)機(jī)械手具有氣源使用方便﹑不污染環(huán)境﹑動(dòng)作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡(jiǎn)便以及適于在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)，因而在流水線自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)、沖壓加工、機(jī)床下料、注塑、儀表及輕工業(yè)等行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很多重體力勞動(dòng)及重復(fù)性較強(qiáng)的工作必將由機(jī)器代替，一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面還可以大大提高生產(chǎn)效率[2]。例如，在我國(guó)的許多中小型汽車行業(yè)中，沖壓成形這一工序還需要人工搬運(yùn)沉重的工件，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又影響效率。為此，本文研制了一套氣動(dòng)機(jī)械手模擬裝置。該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、原理及功能與實(shí)際的機(jī)械手完全一致。
1 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程
??? 該氣動(dòng)機(jī)械手主要是由擺動(dòng)氣缸﹑擺臂﹑傳感器﹑真空吸盤(pán)﹑支架﹑底座等部分組成。其操作目標(biāo)是將被加工對(duì)象從左操作臺(tái)B搬運(yùn)到右生產(chǎn)線C上[3]，如圖1所示。
??? 假設(shè)機(jī)械手處于原始位置A點(diǎn)，要把B點(diǎn)處工件搬運(yùn)到C點(diǎn)處的流水生產(chǎn)線上，該機(jī)械手的操作方式分為連續(xù)自動(dòng)和單步手動(dòng)2種工作方式。在連續(xù)工作方式下，機(jī)械手的具體工作流程如下：按下START按鈕→機(jī)械手復(fù)位( 即圖1的A位)→擺臂左擺→擺臂左擺到位信號(hào)→機(jī)械手吸料→擺臂右擺→擺臂右擺到位信號(hào)→機(jī)械手松開(kāi)，將工件放到C處的流水生產(chǎn)線上。至此機(jī)械手的一個(gè)循環(huán)過(guò)程已經(jīng)完成[4]。機(jī)械手可反復(fù)不斷地進(jìn)行上述循環(huán)。在單步手動(dòng)工作方式下，每按一下START按鈕，機(jī)械手將按程序執(zhí)行1步相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)左擺臂﹑右擺臂﹑吸料﹑放料等點(diǎn)動(dòng)作。在動(dòng)作過(guò)程中，操作員可以隨時(shí)按下STOP按鈕，終止機(jī)械手的操作運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)上述的操作功能，該氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)應(yīng)包括氣動(dòng)控制和PLC控制2個(gè)部分。其主要組成元件有：1個(gè)集成了2個(gè)雙電控電磁閥和1個(gè)單電控電磁閥的緊湊型帶獨(dú)立插座的閥島、1個(gè)氣缸(擺動(dòng)氣缸)﹑1個(gè)真空吸盤(pán)﹑1個(gè)直流繼電器﹑PLC﹑傳感器和2個(gè)具有8個(gè)輸入﹑8個(gè)輸出的I/O接線端子等元件。
2?系統(tǒng)的氣動(dòng)原理
氣動(dòng)原理圖[5]如圖2所示。
??? 該系統(tǒng)的整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)就是對(duì)擺動(dòng)氣缸及真空吸盤(pán)的動(dòng)作進(jìn)行控制。真空系統(tǒng)的工作原理是利用負(fù)壓原理來(lái)吸附工件的。如圖3所示，壓縮空氣流入真空發(fā)生器的A位，狹窄的噴嘴B使氣流以超音速噴出，當(dāng)氣流離開(kāi)噴嘴時(shí)，氣體迅速膨脹，并且從第二個(gè)噴嘴噴出，進(jìn)入消音器C，這就導(dǎo)致了在噴嘴B膛內(nèi)產(chǎn)生低壓，從而導(dǎo)致D口的內(nèi)外產(chǎn)生了壓力差，工件就被空氣壓在如圖1所示的吸盤(pán)2上，從而吸起工件。圖2中7為壓力表，其值是根據(jù)工件重量不同而變化的，當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，吸盤(pán)吸氣輸入信號(hào)為ON。氣源出來(lái)的氣體進(jìn)入到由1個(gè)2位二通電磁換向閥﹑溢流閥﹑1個(gè)2位四通電磁換向閥組成的閥島，然后經(jīng)2位四通電磁換向閥來(lái)驅(qū)動(dòng)氣缸內(nèi)的活塞運(yùn)行[5]。
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3?PLC的選擇
3.1?確定所需要的I/O點(diǎn)個(gè)數(shù)
??? 根據(jù)上述要求，PLC需要以下輸入信號(hào)： 3個(gè)用來(lái)檢測(cè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感器信號(hào)，分別用來(lái)檢測(cè)機(jī)械手?jǐn)[臂擺動(dòng)的極限和吸盤(pán)的吸氣放氣狀態(tài)；1個(gè)工件松放到位與否傳感器信號(hào)；根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，需要START(啟動(dòng))﹑RESET(復(fù)位)和STOP(停止)3個(gè)按鈕信號(hào)以及1個(gè)直流繼電器信號(hào)；1個(gè)用來(lái)控制機(jī)械手運(yùn)行方式的AUTO/MAN(自動(dòng)/手動(dòng))開(kāi)關(guān)信號(hào)[2]。
??? PLC需要以下輸出信號(hào)：用來(lái)驅(qū)動(dòng)氣缸以及真空吸盤(pán)吸氣﹑放氣的電磁閥需要4個(gè)輸出信號(hào)，2個(gè)用來(lái)顯示工作狀態(tài)(START、RESET指示燈)的信號(hào)，分別用來(lái)指示START、RESET按鈕的工作狀態(tài)。
根據(jù)上述要求，應(yīng)選用輸入點(diǎn)的個(gè)數(shù)≥9﹑輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)≥6的PLC。
3.2?程序存儲(chǔ)器容量的選擇
由系統(tǒng)的控制要求及上述分析可知，該系統(tǒng)不需要模擬量變換及存儲(chǔ)，僅需要15個(gè)開(kāi)關(guān)量控制，因此可以估算：存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)≥開(kāi)關(guān)量I/O總數(shù)×8=15×8=120字節(jié)。
3.3? PLC型號(hào)的選擇
由計(jì)算及分析可知，此系統(tǒng)對(duì)PLC的掃描速度及其他方面無(wú)特殊要求，僅對(duì)要選擇的PLC輸入點(diǎn)的個(gè)數(shù)(≥9)、輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)(≥6)、存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)(≥120字節(jié))提出要求。為此，選用S7-300型號(hào)的PLC(CPU315-2DP)及SM323數(shù)字量I/O模塊2個(gè)(它共有16個(gè)輸入﹑輸出點(diǎn))，隨機(jī)存儲(chǔ)器容量為48 KB，計(jì)數(shù)器64個(gè)，定時(shí)器128個(gè)。其結(jié)構(gòu)緊湊﹑體積小，處理數(shù)據(jù)和通信能力強(qiáng)﹑功能指令豐富﹑直觀，并且具有PROFIBUS-DP、MPI通信接口，易于構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制[2]。I/O接點(diǎn)的分配如表1所示，PLC與器件的邏輯線路圖如圖4所示。
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4? 系統(tǒng)的工作原理
該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。系統(tǒng)中的2個(gè)限位行程開(kāi)關(guān)、1個(gè)真空檢測(cè)傳感器及控制面板上的4個(gè)顯示信號(hào)(START按鈕﹑RESET按鈕﹑AUTO/MAN開(kāi)關(guān)﹑STOP按鈕)作為輸入信號(hào)，由接線端子經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線傳輸送至PLC。處理器(CPU)掃描輸入映像寄存器，根據(jù)系統(tǒng)程序的控制要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)入到輸出映像寄存器，然后再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線及接線端子傳輸線送至如圖2所示的閥島，換向閥電磁鐵得電接通，打開(kāi)相應(yīng)的通路，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)氣缸內(nèi)的活塞運(yùn)行[2]。
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CPU系統(tǒng)的控制面板安裝在操控臺(tái)上，24 V直流電源、S7-300PLC、直流繼電器、真空發(fā)生器等元件均放置在電控箱內(nèi)。直流繼電器的作用是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生緊急事故時(shí)，可立即切斷PLC模塊的輸出電源進(jìn)而切斷整個(gè)輸出信號(hào)，使系統(tǒng)停止工作。本系統(tǒng)的控制信號(hào)采用I/O接線端子的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸，不僅便于系統(tǒng)布線和檢修，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，更便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
5 軟件設(shè)計(jì)
??? STEP7軟件功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)在線編程﹑在線診斷，支持梯形圖(LAD)﹑語(yǔ)句表(STL)﹑功能塊圖(FBD)等語(yǔ)言編程，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。此外，該軟件還具有友好的用戶界面[6]。本文采用梯形圖(LAD)編程，編程時(shí)應(yīng)注意氣動(dòng)機(jī)械手的各個(gè)輸出狀態(tài)一定要與各個(gè)輸入器件的狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來(lái)，并且要考慮到系統(tǒng)的具體控制要求。如為了保證系統(tǒng)的安全性，編程時(shí)設(shè)置一些聯(lián)鎖和互鎖是必須的。例如，擺臂左擺與右擺之間要防止2個(gè)順序相反的操作同時(shí)發(fā)生。機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的部分梯形圖程序如圖6所示，機(jī)械手在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的擺動(dòng)有左擺和右擺2個(gè)動(dòng)作，在這2個(gè)狀態(tài)下，要考慮它們的輸出及與輸出有關(guān)的各個(gè)輸入元件的狀態(tài)。
??? 自動(dòng)與手動(dòng)2種工作方式僅需要在手動(dòng)工作方式前加一個(gè)自動(dòng)工作的開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)程序完成后，利用專用的PC適配器將程序從計(jì)算機(jī)的RS-232串行口下載到PLC的MPI接口[2]。
該控制系統(tǒng)采用了PLC的編程控制，與同類系統(tǒng)相比節(jié)省了大量的電氣元件，大大降低了開(kāi)發(fā)成本。此外，系統(tǒng)由于采用了軟件編程，其動(dòng)作操作可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行移動(dòng)調(diào)試[2]。該氣動(dòng)機(jī)械手經(jīng)在模擬試驗(yàn)臺(tái)上安裝﹑調(diào)試后運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用、安全可靠、操作性強(qiáng)、外形尺寸小。其結(jié)構(gòu)﹑原理﹑功能均能服務(wù)于實(shí)際生產(chǎn)。
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