基于PLC控制的機械手設計

尹盛蓮 國磊

【摘 要】本設計采用PLC控制技術和氣動技術，通過PLC控制器控制電磁閥的順序開啟，實現機械手的運動、控制工件的抓取和卸料，實現全自動生產。應用PLC控制機械手能實現各種規定的工序動作，不僅可以提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。

【關鍵詞】后定位器機械手；氣動技術；機械結構；PLC控制

一、緒論

日照某公司沖壓車間，現有一臺xxx型沖床，專門用于生產后定位器部件。目前生產采用手工上料、手工壓緊、沖壓后半手工卸料。這種生產方式導致了該沖壓件的生產質量很大程度上取決于操作人員的技術水平，且存在較大的安全隱患。

根據山東水利職業學院和該公司沖壓車間合作，進行后定位器部件彎曲沖壓沖床的自動上料技術改造。解決該沖床的，生產效率低，安全防護差，人員依賴強的缺點，實現設備的全自動，高效，安全運行的目的。

二、后定位器機械手系統的總體思路

（一）主要技術參數

后定位器機械手采用光機電氣一體化技術，針對后定位器部件彎曲組裝工序進行的技術改造，實現工件毛坯的自動上料與卸料。通過調研現場沖壓機床的安裝布局，發現后定位器機械手的結構除滿足沖床的工作行程外，還要滿足現有的模具空間要求。

后定位器機械手的主要要求如下：

工件不允許被磁化。

工件表面不允許被劃傷。

保證坯料被放到正確的沖壓位置。

生產效率比目前的手工操作要高。平均19件/分，約為目前純人工上料操作的1.46倍。

運行安全可靠，能耗低，噪音小，綠色無污染。

實現后定位器機械手的自動控制。

（二）后定位器機械手系統整體框架

后定位器機械手主要由控制系統，驅動系統，執行機構和檢測裝置四大部分構成。其中，執行機構分別是完成工件上料、送料、卸料的帶有接料盒的氣動導軌、氣動真空吸附機械手、提升板和推板。本設計是由氣壓來進行驅動?？刂葡到y是以PLC為核心的控制器?？刂葡到y采用閉環控制系統，保證了系統的精度。

綜上所述，機械手控制系統整體框圖1如下：

（三）后定位器機械手系統總體設計

當安裝在沖床上的凸模開始向上運動做返回行程時，上料裝置的氣動吸盤迅速從帶有送料板的氣動導軌上吸取坯料，然后氣動裝置，沿雙向導軌快速運動，通過行程開關使坯料能夠準確到達沖床模具的沖壓位置。吸盤將坯料放到沖壓模具的凹模上時，通過六個定位銷進一步定位，并且，吸盤運動到使坯料接觸凹模上表面后才松開坯料，這樣保證了坯料能夠放平，準確地定位。在坯料到達模具沖壓位置之前，安裝在送料裝置前端的卸料裝置已將上一個已加工好的工件推到卸料槽內，工件靠重力滑落到工件箱內，自行完成卸料。

系統的主要特點如下：

1.采用無損、無磁化的柔性多功能真空吸盤抓料手；

2.采用雙軌導向、重力落料的自動定位貯料裝置；

3.采用高精度的雙導軌導向機構，確保取料、送料和放料的精度；

4.通過取料板上的特制模腔與貯料裝置的準確配合，實現料片的連續、準確、單一的提取。

5.系統具有自動檢測料片有無報警裝置，并且可以實現準確定位。

（四）后定位器機械手系統組成

后定位器機械手主要由機械機構與控制系統兩大部分組成，如圖2所示。機械機構主要包括取料裝置與卸料裝置，如圖3所示?？刂葡到y采用PLC技術，通過自動控制裝置，使各種裝置按照一定的順序和時間間隔發生動作?？刂扑土系臅r間與沖壓行程之間的滿足規定的協調關系，保證一定的生產率和運動時間的準確性，不允許有超前或遲滯現象。

1.上料機構設計方案

后定位器機械手的送料機構主要由取料裝置與送料裝置組成。其中，取料機構用來完成坯料的單一提取，送料裝置完成坯料的吸取、坯料的輸送與定位工作。取料裝置完成每次從坯料盒中自動取下一件坯料，并通過導軌傳動和行程開關的作用，將坯料停放在吸盤的工作位置。然后送料過程開始，通過送料裝置，將坯料準確輸送到沖壓工作位置，為沖做好準備。如圖4所示。

2.取料裝置設計方案

取料裝置，主要由氣動裝置、坯料盒（貯料裝置）、接料盤、導軌、限位裝置等部分組成。通過取料裝置把料片送到周轉工位。

由于料片的不規則，最終確定了取料裝置的機械設計。它主要由坯料盒（貯料裝置）和帶接料盤的取料板兩部分組成。

三、PLC控制器的設計原則及其選型

（一）PLC的型號確定

本文中機械手控制系統選用的是S7—200系列中的CPU224的型號。該型號PLC集成的數字量輸入/輸出為14入10出共24個數字量I/O點，可以很好的滿足本設計控制系統中的11個輸入9個輸出共20個數字量的要求。

（二）PLC控制器的I/O點分配

根據機械手動作流程分析及PLC的I/O點數，可以確定電氣控制系統的I/O點分配，根據I/O點分配表可以畫出PLC的外部接線圖如圖6所示。

（三）后定位器機械手控制程序設計

1.控制流程圖設計

采用PLC對機械手進行控制，首先要明確機械手的工作要求和運動規律，當機械手的動作流程發生改變時，只需要改變PLC程序即可實現。按照機械手的控制要求，合理畫出機械手的運動流程。設定取料板到達坯料盒下方的位置（進行取料的位置）為取料終止位、取料板到達上料手取料的位置為取料初始位、上料手要進行下降吸料的位置為上料初始位、上料手要進行下降放料的位置為上料終止位、上料手上升停止的位置為上限位、上料手下降停止的位置為下限位，后定位器機械手控制主流程圖如圖7所示。

2.PLC程序設計

后定位器機械手控制系統的主程序設計如圖8所示，其中包括取料板取料復位子程序，上料手復位子程序，上料手送料子程序。

四、結論

本文綜合利用光機電氣數一體化技術，采用數字化軟件及虛擬樣機設計技術和PLC控制技術，完成了后定位器機械手系統的設計與研發。設計開發的后定位器機械手系統具有技術含量高，制造成本低，設備的附加成本低，安全、節能、環保等優點。通過后定位器機械手的現場安裝調試，無需對現有的車間設備布局進行調整，無需對現有的沖壓機床設備進行結構改變，提高了生產率，實現了沖壓生產的自動化水平，提高了定位精度，降低了企業制造成本。

參考文獻：

[1]劉淑英，張明路，丁成君. 計及柔性的移動機械手動力學建?，F狀與展望.河北工業大學學報.2009（1）.

[2]袁森，肖軍，羅衛東. 基于PLC的機械手控制系統設計.煤礦機械.2009（5）.

[3]趙美寧，王佳.自動供料機械手的PLC 控制系統設計[J].液壓與氣，2007，9.

[4]陳志權.基于PLC氣動機械手的控制系統[J]. 兵工自動化，2008（4） ： 83～84.

[5]齊進凱.氣動機械手的結構設計、分析及控制的研究[D].上海：東華大學，2006.

[6]張應金.PLC在機械手搬運控制系統中的應用[J].自動化博覽，2008，2.

[7]吉順平，孫承志，路明，等.西門子PLC與工業網絡技術[M].北京：機械工業出版社，2008.1.

[8]常曉玲.電氣控制系統與可編程控制器[M].北京：機械工業出版社，2004.170～226.

作者簡介：

尹盛蓮（1979-）女、四川廣安人、碩士研究生、講師、山東水利職業學院、主要從事機電類教學工作。

國磊（1979-）男、山東淄博人、碩士研究生、講師、山東水利職業學院、主要從事機電類教學工作。