PLC控制氣動(dòng)式機械手系統的設計與開(kāi)發(fā)

機械手和注塑機的配套使用能實(shí)現注塑生產(chǎn)智能化，但取模機械手若采用繼電器作為控制核心，經(jīng)常出現系統誤操作、失靈、撞壞設備等情形。

為了提高注塑機取件機械手的穩定性，本文利用擴展方便的PLC代替繼電器，結合速度快的氣缸驅動(dòng)技術(shù)，設計了氣壓驅動(dòng)系統和PLC控制系統，對提高工業(yè)自動(dòng)化程度具有積極意

義。

1、機械手的結構和控制要求

在氣缸的帶動(dòng)下，手臂終端可在3 個(gè)坐標內工作。系統主要是控制雙電控電磁閥線(xiàn)圈的通電狀態(tài)來(lái)驅動(dòng)氣動(dòng)元件，改變氣壓回路中換向閥的工作位置來(lái)使氣流按要求流動(dòng)，向控制系統發(fā)送規定的開(kāi)關(guān)信號來(lái)控制機械手。整機結構如圖1所示。

結合注塑機開(kāi)模、合模等工作過(guò)程，在氣缸的驅動(dòng)下，機械手的控制要求如下:

(1) 選擇自動(dòng)模式時(shí)，按下開(kāi)始開(kāi)關(guān)，待注塑機開(kāi)模后，電磁閥( 線(xiàn)圈A1) 通電，手臂下降到吸盤(pán)和注塑件剛好接觸的高度，至下降近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

圖1 機械手的結構圖

(2) 電磁閥( 線(xiàn)圈C1) 通電，在吸盤(pán)和帶有平面的注塑件之

間產(chǎn)生負壓，吸盤(pán)吸住注塑件，至吸氣近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作［2］。

(3) 電磁閥( 線(xiàn)圈A2) 通電，手臂上升，至上升近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

(4) 電磁閥( 線(xiàn)圈B1) 通電，引拔前進(jìn)，至前進(jìn)近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

(5) 電磁閥( 線(xiàn)圈D1) 通電，手臂和引拔整體旋出，至旋出近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

(6) 電磁閥( 線(xiàn)圈A1) 通電，手臂與地面呈一定角度下降，至下降近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

(7) 電磁閥( 線(xiàn)圈C2) 通電，注塑件和吸盤(pán)之間的氣壓恢復正常值，吸盤(pán)放下注塑件，至放氣近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
(8) 電磁閥( 線(xiàn)圈A2) 通電，手臂上升，至上升近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

(9) 電磁閥( 線(xiàn)圈D2) 通電，手臂和引拔整體旋入，至旋入近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

(10 ) 電磁閥( 線(xiàn)圈B2) 通電，引拔后退，至后退近接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。完成一次循環(huán)后等待注塑機開(kāi)模，重復以上過(guò)程。

(11) 按下停止按鈕或斷電，當前步驟中的機械手，在重新啟動(dòng)之前將停止工作。

(12) 能夠切換為手動(dòng)模式，按下對應的開(kāi)關(guān)，機械手根據命令執行相應的動(dòng)作，也可以根據工藝流程自動(dòng)運行。

自動(dòng)控制的動(dòng)作流程: 注塑機開(kāi)模，手臂下降→吸盤(pán)取物→手臂上升→引拔前進(jìn)→手臂和引拔旋出→手臂下降→吸盤(pán)放物→手臂上升→手臂和引拔旋入→引拔后退，等待注塑機再次開(kāi)模。

2、氣動(dòng)系統設計

按照機械手的移動(dòng)軌跡和電磁閥、氣缸的工作原理，在氣缸驅動(dòng)過(guò)程中，采用4 個(gè)雙電控電磁閥來(lái)掌控3 個(gè)氣缸和1 個(gè)負壓發(fā)生器。此外，各氣路配置了節流閥，可以調節速度。在手動(dòng)狀態(tài)下，按下相應的按鈕，控制相應氣缸和負壓發(fā)生器的電磁閥上電，在氣缸的驅動(dòng)和吸盤(pán)的執行下，機械手開(kāi)始工作。

把負壓發(fā)生器與氣吸盤(pán)串聯(lián)在一起，當有高壓氣體通過(guò)負壓發(fā)生器時(shí)，氣吸盤(pán)呈現負壓并吸起物品。為了減緩手臂上下運行時(shí)機臺的晃動(dòng)，使用上下緩沖氣缸做緩沖。氣動(dòng)原理圖如圖2 所示。

圖2 氣動(dòng)原理圖

3、機械手控制系統的構成與設計開(kāi)發(fā)

3.1 控制系統的構成

該控制系統由以下模塊組成: PLC 控制器、I /O 接線(xiàn)端子、數據傳輸電纜、按鈕開(kāi)關(guān)、近接開(kāi)關(guān)?？刂破? PLC) 通過(guò)控制執行機構( 電磁閥) 來(lái)使驅動(dòng)模塊［3］ (氣缸和負壓發(fā)生器) 按照指令運動(dòng)，從而導致運動(dòng)機構( 手臂和吸盤(pán)) 的工作，同時(shí)接收裝在機械手機身上的傳感器( 近接開(kāi)關(guān)) 反饋回來(lái)的信號，以此監測機械手的運動(dòng)情況。PLC 控制原理框圖如圖3 所示。

圖3 控制系統原理框圖

3.2 確定PLC 的I /O 點(diǎn)個(gè)數

通過(guò)對PLC 和動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行研究，總結出需將如下信號傳輸給它: 8 個(gè)開(kāi)關(guān)"按鈕X"信號，這是控制機械手運動(dòng)要用到的。8 個(gè)近接開(kāi)關(guān)"確認X"信號，分別用來(lái)檢測機械手的運動(dòng)狀態(tài)并反饋給PLC。此外，考慮到控制體系的需求，還要3 個(gè)按鈕信號依次為: "開(kāi)始"、"重啟"和"位置"，1 個(gè)"停止"按鈕信號用來(lái)結束工作，1個(gè)選擇運行方式的"自動(dòng)/手動(dòng)"旋動(dòng)開(kāi)關(guān)，1 個(gè)"回原點(diǎn)"按鈕。

PLC 需要輸出如下信號: 控制3 個(gè)氣缸和1 個(gè)負壓發(fā)生器的4 個(gè)雙電控電磁閥需要8 個(gè)"輸出Y"動(dòng)作信號。3 個(gè)用于說(shuō)明機器"開(kāi)始"、"重啟"和"位置"的工作狀況燈。因此采用輸入點(diǎn)數目≥22、輸出點(diǎn)數目≥11 的PLC。

3.3 PLC 型號的選擇

基于以上剖析，選取輸入點(diǎn)數目不少于22，輸出點(diǎn)數量超過(guò)11，由西門(mén)子生產(chǎn)的S7 － 300 PLC 及2 個(gè)SM323 輸入/輸出擴展塊［3 － 4］。該系統總共有22 個(gè)輸入點(diǎn)、16 個(gè)輸出點(diǎn)，48 KB內存， 64 個(gè)計數器以及128 個(gè)定時(shí)器。PLC 和有關(guān)信號的系統接線(xiàn)圖如圖4 所示。

圖4 控制系統接線(xiàn)圖

3.4 PLC 的程序設計

運用模塊化設計，把機械手控制程序分為: 公共程序、手動(dòng)程序和自動(dòng)程序。根據動(dòng)作要求，設計出機械手運行時(shí)的程序，整機系統的原始情形通過(guò)IST 指令來(lái)控制，當達到IST 指令的運行要求時(shí)，為初始狀態(tài)繼電器( S0、S1、S2) 和特殊輔助繼電器的( M8040、M8041、M8042、M8043) 分配以下功能:

(1) S0，手動(dòng)模式的zui初狀態(tài)繼電器;

(2) S1，回歸初始狀態(tài)的繼電器;

(3) S2，自動(dòng)模式的zui初狀態(tài)繼電器;

(4) M8040，防止轉變，當導通線(xiàn)圈后，保持一切動(dòng)作不變;

(5) M8041，開(kāi)始轉變，當線(xiàn)圈導通，容許狀態(tài)由開(kāi)始發(fā)生轉變;

(6) M8042，啟動(dòng)脈沖，在按下開(kāi)始開(kāi)關(guān)的一剎那發(fā)揮作用;

(7) M8043，回歸到初始狀態(tài);

(8) M8044，初始狀態(tài)前提，當整機位于原點(diǎn)位置時(shí)，線(xiàn)圈會(huì )導通。

回歸原始狀態(tài)模式: 按下回原點(diǎn)開(kāi)關(guān)X11，使整機處在上升、后退、旋入、吸盤(pán)放氣狀態(tài)，相應近接開(kāi)關(guān)導通。

手動(dòng)模式不必按工序順序動(dòng)作，當普通繼電器程序來(lái)設計。機械手可實(shí)現以下8 個(gè)動(dòng)作: "手臂下降"、"吸盤(pán)吸氣"、"手臂上升"、"引拔前進(jìn)"、"旋出"、"吸盤(pán)放氣"、"旋入"、"引拔后退"，分別用與X16、X14、X17、X22、X20、X15、X21、X23 相對應的按鈕控制。手動(dòng)模式的程序如圖5 所示。

圖5 手動(dòng)模式程序圖

自動(dòng)模式采用順序功能圖來(lái)設計程序，說(shuō)明動(dòng)作的順序和狀態(tài)變化條件，方框代表"工步"，鄰近兩"工步"用線(xiàn)段連接，代表變化的方向，橫線(xiàn)代表變化的條件。當變化條件允許，則程序由前一"工步"運動(dòng)到后一"工步"，順序功能圖能轉化為梯形圖程序。自動(dòng)模式之前，按下回原點(diǎn)開(kāi)關(guān)X11，使整機在初始位置。按開(kāi)始開(kāi)關(guān)使X18 導通，狀態(tài)變?yōu)镾20。輸出信號Y3，線(xiàn)圈A1 通電，上下氣缸驅使手臂下行，當靠近下極*下近接開(kāi)關(guān)X4 導通，狀態(tài)變?yōu)镾21，S20 自行回到剛才的狀態(tài)。

流程為先輸出相應的信號，對應電磁閥其中一個(gè)線(xiàn)圈通電，然后特定氣缸發(fā)生動(dòng)作，至近接開(kāi)關(guān)導通，zui后運行狀態(tài)變化，一直運動(dòng)到狀態(tài)S29，自動(dòng)運行狀態(tài)轉移圖如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)運行狀態(tài)轉移圖