基于PLC的焊接機械手控制系統設計與實現

摘要：機械手是一種高科技自動化裝置，在先進制造領域中機械手的應用極其廣泛。文章設計了PLC控制的焊接機械手控制系統，能夠實現在同一平面內X軸與Y軸兩個方向的直線焊接以及在同一平面內的圓弧焊接功能。利用機械手控制系統焊接加工自動化，大大地提高了生產效率。

關鍵詞：PLC；焊接機械手；控制系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0016-02

隨著自動化控制技術的飛速發展，機械手在很多環境下能準確完成預期的工作并能模擬人的適應性，這使得機械手的應用越來越廣泛。焊接是裝備制造業中最為常用的加工方法之一，由于焊接加工產生的煙氣與火花使得工作環境比較惡劣，為了盡量減少環境條件對人身造成的傷害，設計了一種PLC控制的焊接機械手，專用于某建筑機械廠塔吊構件的焊接加工，提高了焊接車間自動化程度，減少了環境對人體的傷害。該焊接機械手因具有作用靈活方便與價格便宜等優點具有較好應用價值。

1 機械手的現狀和發展

因機械手能夠在有毒、有害、危險、高熱和低溫等惡劣條件中的工作進行替代，對人的一些單調重復、繁重勞動進行代替，從而大大提高勞動生產率，進一步提升產品質量。我國機械手的應用是從20世紀70年代開始的，經過30多年的發展，機械加工、焊接、裝配、上下料、搬運及噴漆、醫療等行業均有機械手的應用。目前主要集中在制造業，尤其是通用機械、汽車、電器制造以及加工金屬和塑料等工業。計算機集成制造系統和柔性制造系統的構成，使生產自動化得以實現。

隨著生產自動化的持續發展，網絡技術、激光技術、傳感技術、機器人的智能水平及機械手的發展領域都得到了極大的提高和擴展，眾多領域越來越離不開機械手。隨著機械手的性能、質量的加強，其已由傳統的汽車制造領域向外進一步擴展延伸，高質量的機械手與較低的運行成本，必將使機械手在各個領域中得到極為廣泛的應用。

2 設計選擇PLC機型的原則

2.1 滿足控制功能的要求

PLC在控制功能方面主要考慮的是邏輯運算、算術運算、定時、計數等功能要求，是否要有模擬量的輸入與輸出功能要求，在考慮輸入與輸出點數的要求時應該留有余量以備用。另外還要考慮是用晶體管輸出型還用繼電器輸出型，是否要具備網絡通信功能等。

2.2 安裝方式要適合

PLC多臺聯網的分布式、遠程I/O式、集中式是安裝PLC系統的三種方式。

對于大型系統來講，遠程I/O式是一種比較適合的方式，它具有分布范圍廣的特點，遠程I/O可以在現場裝置附近分散安裝，它不需要太長的連線，然而遠程I/O電源和驅動器需要加以增加設置；不需要對驅動遠程I/O硬件進行設置的是集中式，這個系統的特點是具有快捷的反應、低廉的成本；多臺PLC聯網的分布式常常適合應用于多臺設備之間相互聯系，但又能夠各自獨立進行控制的場合。

降低成本對于工廠小批量生產是非常重要的，所以集中式的安裝方式是此系統的較好選擇。

2.3 結構型式要合理

整體式和模塊式是主要的兩種PLC的結構型式：

在平均價格上每一個在PLC整體式上的I/O點與模塊式比較要低很多，而且它還有另外一個特點，就是它的體積較小，通常在小型控制系統中大為推廣；而PLC模塊式具有非常優越的功能特點，它在進行擴展的時候靈活方便，具有較大的選擇余地，且維修起來非常方便，在紛亂繁瑣的控制系統中得以大量應用。

3 機械手控制要求與PLC的選用

考慮到本PLC控制機械手的特定控制要求，需要實現同一平面內X軸方向與Y軸方向的直線焊接與同一平面內的圓弧焊接功能。輸入主要有X軸方向焊接選擇、Y軸方向焊接選擇、圓弧焊接選擇、啟動按鈕、停止按鈕、限位開關與位置檢測傳感器，輸出主要通過中間繼電器隔離后再控制電磁閥驅動機械手的各個氣缸運動。本系統中用五個氣缸分別用于機械手的X軸方向移動、Y軸方向移動、旋轉運行、機械手升降移動、手爪夾緊控制。根據機械手的控制要求及PLC的性能特點，選擇西門S7-200 PLC，CPU為226AC/DC/RLY，有24點輸入與16點繼電器輸出即可滿足控制要求。

4 氣動控制回路設計

根據機械手的控制要求，五個氣動缸的氣動控制回路如圖1所示，在每個氣缸的進氣與出氣管均安裝有節流閥，可調整氣流的大小，達到氣缸移動與旋轉速度的調節

作用。

5 PLC的I/O地址分配

根據機械手輸入/輸出點數，為了方便PLC的外部接線及程序設計，將PLC的I/O地址分配如表1所示：

6 PLC外部接線圖

根據PLC的I/O地址分配表，設計如圖2所示的PLC外部接線圖：

7 程序設計與調試

焊接機械手的程序設計思路，首先是檢測機械手是否在原點位置，正常則常亮，否則故障指示燈按1Hz頻率閃爍。然后根據X軸焊、Y軸焊、圓弧焊的選擇情況，按下啟動按鈕即進行焊接加工，按下停止按鈕時暫停焊接，再次按下啟動時接著焊接，直到焊接完成為止。在加工過程中按下急停按鈕，機械手立即停止，自動反回原點位置。由于同一批工件的焊接行程是一致的，在調試過程中應先根據焊接行程調整好氣缸行程的檢測傳感器位置然后固定好傳感器。

8 結語

經過對焊接機械手在某建筑機械廠進行現場調試，本系統控制的焊接機械手能夠完成預定的功能，能在惡劣環境下代替人工操作，大大地提高了生產效率，節約了人力成本，具有很大的實用價值。

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作者簡介：謝祥強（1973—），男，廣西岑溪人，廣西電力職業技術學院講師，工程碩士，研究方向：數控機床、電氣控制技術。

（責任編輯：周加轉）