基于PLC的气压机械手系统设计

黄卫芳

摘要：随着人类社会的进步和发展，机械手在很大程度上已经取代了人工劳动，在国外机械手在制造业中得到了广泛应用，特别是在相对比较危险的工作中，机械手的应用更为广泛，比如喷涂、探险、矿井下运输和抓取货物，矿井下的救援等。本文浅析基于PLC的气压机械手系统设计。

关键词：PLC；气压机械手；系统设计；上位机监控

引言

我国机械手的发展现状仍落后于国外，一些机械手代替了手工，可以完成粉刷墙体工作，一些机械手能够焊接工件的零部件，还有的能够搬运沉重的材料，功能更加齐全的机械手能够完成特殊任务。随着中国在PLC领域的发展，在软件编译和硬件设计上都会更加的完善。

1气压系统布置及操作原理

如图下图所示,在该系统中,通过主气缸13产生0～90°的张合动作,用侧气缸12、14产生0.3m的伸缩动作。作业中,这2种动作是先后进行的,并通过侧气缸12、14的分别操作来保证机械手的左右臂空载伸出长度处于对等状态。其步骤是:接通电源,启动0.3/30BF型空气压缩机,待空气瓶中的压力稳定在0.55～0.75MPa范围(空气压缩机自动控制工作气压)时,按张开、合拢操作规则实现抱、放输泥管。(1)张开当换向阀10处于右位,主气缸13下腔进气、上腔排气时,气缸活塞上移,使侧气缸12、14之间夹角增大,至最大夹角90°为止;当换向阀9处于左位、换向阀11处于右位时,2个侧气缸12、14下腔进气、上腔排气,气缸活塞上移,即实现机械手左、右臂外伸———张开。(2)合拢当换向阀10处于左位,主气缸13上腔进气、下腔排气时,气缸活塞下移，使侧气缸12、14之间夹角减少,至最少夹角0°为止;

当换向阀9处于右位、换向阀11处于左位时,2个侧气缸12、14上腔进气、下腔排气,气缸活塞下移,即实现机械手左、右臂内缩———合拢。系统中的3个KLPX-L8型排气消声节流阀主要用于控制各自气缸活塞的移动速度,避免因速度过大而发生撞缸现象,同时可降低放气噪声。

2气压机械手系统总体设计

气压机械手总体框图如图1所示，系统的组成比较简单，主要由上位机监控系统、三菱PLC和气压系统、传感器等组成，该系统在设计时考虑到实际操作的方便，引入了触摸屏和计算机相结合的操作方式。

在整个系统设计过程中主要用到水平无杆气缸、垂直无杆气缸、摆动气缸、气爪缸、节流阀、三位五通电磁阀，。

3气压机械手参数和气压系统分析

3.1气压机械手参数分析

在进行气压机械手系统设计时，机械手臂的夹紧力

查手册，取安全系数K1＝1，工作情况系数K2＝2，方位系数K3＝4，该夹紧力能满足实验要求。

3.2气压系统分析

该气压系统主要由节流阀、平移气缸、回转缸、垂直气缸、气爪气缸和气源组成，通过节流调速阀这个装置，能够对机械手的每一个动作进行控制，所需要的气体来自同一个气泵。

4上位机监控系统设计

在利用组态王进行上位机监控系统设计时，首先是创建项目，其次是定义设备，本文中确定的设备类型都是提前编辑好的。在确定选取设备时，选取的是FX1N－24MR，再次就是定义数据，最后建立机械手画面及动画连接，在绘制画面控制界面的时候，添加一个启动模块，添加文字为启动两字。双击之后会出现命令语言窗口，在这个窗口中可以对机械手的每一个执行命令编辑对应的动作，定义的启动指令如图二所示。

图二定义启动指令

最终可以得到上位机监控界面如图三所示。

5基于PLC的气动机械手控制系统的输入、输出分配

在气动机械手控制系统的左右极限点上各安排1个电感式传感器，在机械手伸缩的前后极上各安排1个标准型的电磁开关，对于上下极限点也各安排1个标准电磁开关，因此机械手控制系统的主要输入/输出点包括按钮SB1控制气动机械手设备的启动，SB2控制整个系统的停止，SB3控制系统切换手动和自动模式，SQ1-SQ6分别代表左/右极限输入，前/后极限输入以及上/下极限输入，YA1-YA5分别代表机械手左/右旋、伸出、缩回及下降输出，YA6、YA7分别代表抓和放输出。气动机械手控制系统主要完成工件搬运动作，例如将一生产线上的工件搬运到另一侧生产线，或将一工作站上的工件搬到另一工作站，其工作顺序为：上电→复位→启动→伸出→下降→抓取→回升→缩回→右旋→伸出→下降→释放→回升→缩回→左旋→循环。

图三上机位监控界面

6控制系统硬件设计

根据涡轮叶片搬运机械手整体设计指标和作业要求，控制系统应该满足以下要求:(1)机械抓手有6个自由度，相互协调，实现平台系统稳定、快速、高效运转。(2)程序具有可变性，能够满足不同的作业要求。(3)实时性高，动态响应性能好，能够对传感器信号及时采集和反馈。(4)系统应该具有高可靠性、安全性、稳定性。(5)设计的人机界面要便于人工操作以及易于调试。(6)硬件搭建应具有后期扩展性。

6.1PLC选型

PLC是一种结构简单、通用性好、功能完备的控制元件，PLC是控制系统的核心，其优点是抗干扰能力强，系统的可靠性和稳定性及生产效率能得到有效提高。主要作用是实现对各个传感器的信号的采集，判断后发出相应的控制指令，完成对搬运机械手的实时控制。PLC的型号是根据系统的输入/输出点数的数量以及高速脉冲数输出的多少进行选择。

6.2资源配置

要完成系统的工程还需要除了PLC之外其他功能，比如电磁式限位开关、电磁阀等。(1)电磁式限位开关。①上升限位开关。上升限位开关主要用于机械手在整体上移时控制位置，防止机械手超出范围。在机械手臂上方的合适位置安装好限位开关，当机械手上升到触碰限位开关时，PLC控制机械手停止上升运动。②下降限位开关。下降限位开关主要用于机械手在整体下降时控制下降位置，防止机械手向下运动超出控制范围。③向左旋转限位开关。向左旋转限位开关主要用于控制机械手向左做旋转运动时的位置，防止机械手运动到位后过冲。④向右旋转限位开关。向右旋转限位开关主要用于控制机械手在做向右运动时控制其位置，防止机械手运动到位后过冲。(2)光电开关。在叶片侧面夹具上有1个光电开关，主要用来指示叶片工件是否到位。(3)电磁阀。机械臂，机械手内部推拉装置和上升、下降都是用气缸来实现的，各使用一个气缸、一个电磁阀就能实现手臂的推拉装置和上升、下降。机械手推拉装置、上升、下降、夹具、左旋、右旋共用了四个电磁阀。(4)按钮。急停按钮为常闭触点，按下后旋转复位;手动/自动按钮采用旋钮，一侧为常开，一侧为常闭;其余按钮为触点触发式，按下即接通，松开复位。(5)气动回路设计。机械手动力系统采用气动控制。

结语

该系统主要以三菱PLC为控制核心，利用组态软件实现的系统控制，主要优点是系统结构简单，运行方便，特别是在工业生产中，气压机械手应用特别普遍，它是一个相对较好的机电一体化设备，其结构紧凑；并实现了触摸屏和计算机同时控制；安全性大大提高了，现场运行良好，有一定应用价值。

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