PLC控制气动式机械手系统的设计与开发

机械手和注塑机的配套使用能实现注塑生产智能化，但取模机械手若采用继电器作为控制核心，经常出现系统误操作、失灵、撞坏设备等情形。

为了提高注塑机取件机械手的稳定性，本文利用扩展方便的PLC代替继电器，结合速度快的气缸驱动技术，设计了气压驱动系统和PLC控制系统，对提高工业自动化程度具有积极意

义。

1、机械手的结构和控制要求

在气缸的带动下，手臂终端可在3个坐标内工作。系统主要是控制双电控电磁阀线圈的通电状态来驱动气动元件，改变气压回路中换向阀的工作位置来使气流按要求流动，向控制系统发送规定的开关信号来控制机械手。整机结构如图1所示。

结合注塑机开模、合模等工作过程，在气缸的驱动下，机械手的控制要求如下:

(1)选择自动模式时，按下开始开关，待注塑机开模后，电磁阀(线圈A1)通电，手臂下降到吸盘和注塑件刚好接触的高度，至下降近接开关动作。

图1机械手的结构图

(2)电磁阀(线圈C1)通电，在吸盘和带有平面的注塑件之

间产生负压，吸盘吸住注塑件，至吸气近接开关动作［2］。

(3)电磁阀(线圈A2)通电，手臂上升，至上升近接开关动作。

(4)电磁阀(线圈B1)通电，引拔前进，至前进近接开关动作。

(5)电磁阀(线圈D1)通电，手臂和引拔整体旋出，至旋出近接开关动作。

(6)电磁阀(线圈A1)通电，手臂与地面呈一定角度下降，至下降近接开关动作。

(7)电磁阀(线圈C2)通电，注塑件和吸盘之间的气压恢复正常值，吸盘放下注塑件，至放气近接开关动作。
(8)电磁阀(线圈A2)通电，手臂上升，至上升近接开关动作。

(9)电磁阀(线圈D2)通电，手臂和引拔整体旋入，至旋入近接开关动作。

(10)电磁阀(线圈B2)通电，引拔后退，至后退近接开关动作。完成一次循环后等待注塑机开模，重复以上过程。

(11)按下停止按钮或断电，当前步骤中的机械手，在重新启动之前将停止工作。

(12)能够切换为手动模式，按下对应的开关，机械手根据命令执行相应的动作，也可以根据工艺流程自动运行。

自动控制的动作流程:注塑机开模，手臂下降→吸盘取物→手臂上升→引拔前进→手臂和引拔旋出→手臂下降→吸盘放物→手臂上升→手臂和引拔旋入→引拔后退，等待注塑机再次开模。

2、气动系统设计

按照机械手的移动轨迹和电磁阀、气缸的工作原理，在气缸驱动过程中，采用4个双电控电磁阀来掌控3个气缸和1个负压发生器。此外，各气路配置了节流阀，可以调节速度。在手动状态下，按下相应的按钮，控制相应气缸和负压发生器的电磁阀上电，在气缸的驱动和吸盘的执行下，机械手开始工作。

把负压发生器与气吸盘串联在一起，当有高压气体通过负压发生器时，气吸盘呈现负压并吸起物品。为了减缓手臂上下运行时机台的晃动，使用上下缓冲气缸做缓冲。气动原理图如图2所示。

图2气动原理图

3、机械手控制系统的构成与设计开发

3.1控制系统的构成

该控制系统由以下模块组成:PLC控制器、I/O接线端子、数据传输电缆、按钮开关、近接开关。控制器(PLC)通过控制执行机构(电磁阀)来使驱动模块［3］(气缸和负压发生器)按照指令运动，从而导致运动机构(手臂和吸盘)的工作，同时接收装在机械手机身上的传感器(近接开关)反馈回来的信号，以此监测机械手的运动情况。PLC控制原理框图如图3所示。

图3控制系统原理框图

3.2确定PLC的I/O点个数

通过对PLC和动作过程进行研究，总结出需将如下信号传输给它:8个开关"按钮X"信号，这是控制机械手运动要用到的。8个近接开关"确认X"信号，分别用来检测机械手的运动状态并反馈给PLC。此外，考虑到控制体系的需求，还要3个按钮信号依次为:"开始"、"重启"和"位置"，1个"停止"按钮信号用来结束工作，1个选择运行方式的"自动/手动"旋动开关，1个"回原点"按钮。

PLC需要输出如下信号:控制3个气缸和1个负压发生器的4个双电控电磁阀需要8个"输出Y"动作信号。3个用于说明机器"开始"、"重启"和"位置"的工作状况灯。因此采用输入点数目≥22、输出点数目≥11的PLC。

3.3PLC型号的选择

基于以上剖析，选取输入点数目不少于22，输出点数量超过11，由西门子生产的S7－300PLC及2个SM323输入/输出扩展块［3－4］。该系统总共有22个输入点、16个输出点，48KB内存，64个计数器以及128个定时器。PLC和有关信号的系统接线图如图4所示。

图4控制系统接线图

3.4PLC的程序设计

运用模块化设计，把机械手控制程序分为:公共程序、手动程序和自动程序。根据动作要求，设计出机械手运行时的程序，整机系统的原始情形通过IST指令来控制，当达到IST指令的运行要求时，为初始状态继电器(S0、S1、S2)和特殊辅助继电器的(M8040、M8041、M8042、M8043)分配以下功能:

(1)S0，手动模式的Z初状态继电器;

(2)S1，回归初始状态的继电器;

(3)S2，自动模式的Z初状态继电器;

(4)M8040，防止转变，当导通线圈后，保持一切动作不变;

(5)M8041，开始转变，当线圈导通，容许状态由开始发生转变;

(6)M8042，启动脉冲，在按下开始开关的一刹那发挥作用;

(7)M8043，回归到初始状态;

(8)M8044，初始状态前提，当整机位于原点位置时，线圈会导通。

回归原始状态模式:按下回原点开关X11，使整机处在上升、后退、旋入、吸盘放气状态，相应近接开关导通。

手动模式不必按工序顺序动作，当普通继电器程序来设计。机械手可实现以下8个动作:"手臂下降"、"吸盘吸气"、"手臂上升"、"引拔前进"、"旋出"、"吸盘放气"、"旋入"、"引拔后退"，分别用与X16、X14、X17、X22、X20、X15、X21、X23相对应的按钮控制。手动模式的程序如图5所示。

图5手动模式程序图

自动模式采用顺序功能图来设计程序，说明动作的顺序和状态变化条件，方框代表"工步"，邻近两"工步"用线段连接，代表变化的方向，横线代表变化的条件。当变化条件允许，则程序由前一"工步"运动到后一"工步"，顺序功能图能转化为梯形图程序。自动模式之前，按下回原点开关X11，使整机在初始位置。按开始开关使X18导通，状态变为S20。输出信号Y3，线圈A1通电，上下气缸驱使手臂下行，当靠近下极限时下近接开关X4导通，状态变为S21，S20自行回到刚才的状态。

流程为先输出相应的信号，对应电磁阀其中一个线圈通电，然后特定气缸发生动作，至近接开关导通，Z后运行状态变化，一直运动到状态S29，自动运行状态转移图如图6所示。

图6自动运行状态转移图

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