摘 要： 為了降低氣動機械手系統(tǒng)的開發(fā)成本，介紹了基于PLC控制的氣動機械手系統(tǒng)中PLC的選擇、PLC與器件的邏輯電路連接、I/O的分配及氣動機械手系統(tǒng)的氣動原理和工作原理等。與同類系統(tǒng)相比，節(jié)省了大量的電氣元件，大大降低了開發(fā)成本。
??? 關(guān)鍵詞： 機械手；氣動；可編程控制器；自動控制
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?? 在工業(yè)生產(chǎn)中，利用氣動機械手將工件從一條生產(chǎn)線搬運到另一條生產(chǎn)線是一種高效的工作方式[1]。氣動機械手具有氣源使用方便﹑不污染環(huán)境﹑動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適于在惡劣環(huán)境下工作等特點，因而在流水線自動化生產(chǎn)作業(yè)、沖壓加工、機床下料、注塑、儀表及輕工業(yè)等行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場很多重體力勞動及重復(fù)性較強的工作必將由機器代替，一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面還可以大大提高生產(chǎn)效率[2]。例如，在我國的許多中小型汽車行業(yè)中，沖壓成形這一工序還需要人工搬運沉重的工件，既費時費力，又影響效率。為此，本文研制了一套氣動機械手模擬裝置。該機械手的結(jié)構(gòu)、原理及功能與實際的機械手完全一致。
1 氣動機械手的結(jié)構(gòu)與工作過程
??? 該氣動機械手主要是由擺動氣缸﹑擺臂﹑傳感器﹑真空吸盤﹑支架﹑底座等部分組成。其操作目標是將被加工對象從左操作臺B搬運到右生產(chǎn)線C上[3]，如圖1所示。
??? 假設(shè)機械手處于原始位置A點，要把B點處工件搬運到C點處的流水生產(chǎn)線上，該機械手的操作方式分為連續(xù)自動和單步手動2種工作方式。在連續(xù)工作方式下，機械手的具體工作流程如下：按下START按鈕→機械手復(fù)位( 即圖1的A位)→擺臂左擺→擺臂左擺到位信號→機械手吸料→擺臂右擺→擺臂右擺到位信號→機械手松開，將工件放到C處的流水生產(chǎn)線上。至此機械手的一個循環(huán)過程已經(jīng)完成[4]。機械手可反復(fù)不斷地進行上述循環(huán)。在單步手動工作方式下，每按一下START按鈕，機械手將按程序執(zhí)行1步相應(yīng)的動作，實現(xiàn)左擺臂﹑右擺臂﹑吸料﹑放料等點動作。在動作過程中，操作員可以隨時按下STOP按鈕，終止機械手的操作運行。要實現(xiàn)上述的操作功能，該氣動機械手控制系統(tǒng)應(yīng)包括氣動控制和PLC控制2個部分。其主要組成元件有：1個集成了2個雙電控電磁閥和1個單電控電磁閥的緊湊型帶獨立插座的閥島、1個氣缸(擺動氣缸)﹑1個真空吸盤﹑1個直流繼電器﹑PLC﹑傳感器和2個具有8個輸入﹑8個輸出的I/O接線端子等元件。
2?系統(tǒng)的氣動原理
氣動原理圖[5]如圖2所示。
??? 該系統(tǒng)的整個氣動系統(tǒng)就是對擺動氣缸及真空吸盤的動作進行控制。真空系統(tǒng)的工作原理是利用負壓原理來吸附工件的。如圖3所示，壓縮空氣流入真空發(fā)生器的A位，狹窄的噴嘴B使氣流以超音速噴出，當氣流離開噴嘴時，氣體迅速膨脹，并且從第二個噴嘴噴出，進入消音器C，這就導(dǎo)致了在噴嘴B膛內(nèi)產(chǎn)生低壓，從而導(dǎo)致D口的內(nèi)外產(chǎn)生了壓力差，工件就被空氣壓在如圖1所示的吸盤2上，從而吸起工件。圖2中7為壓力表，其值是根據(jù)工件重量不同而變化的，當氣壓達到預(yù)先設(shè)定值時，吸盤吸氣輸入信號為ON。氣源出來的氣體進入到由1個2位二通電磁換向閥﹑溢流閥﹑1個2位四通電磁換向閥組成的閥島，然后經(jīng)2位四通電磁換向閥來驅(qū)動氣缸內(nèi)的活塞運行[5]。
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3?PLC的選擇
3.1?確定所需要的I/O點個數(shù)
??? 根據(jù)上述要求，PLC需要以下輸入信號： 3個用來檢測機械手運動狀態(tài)的傳感器信號，分別用來檢測機械手擺臂擺動的極限和吸盤的吸氣放氣狀態(tài)；1個工件松放到位與否傳感器信號；根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，需要START(啟動)﹑RESET(復(fù)位)和STOP(停止)3個按鈕信號以及1個直流繼電器信號；1個用來控制機械手運行方式的AUTO/MAN(自動/手動)開關(guān)信號[2]。
??? PLC需要以下輸出信號：用來驅(qū)動氣缸以及真空吸盤吸氣﹑放氣的電磁閥需要4個輸出信號，2個用來顯示工作狀態(tài)(START、RESET指示燈)的信號，分別用來指示START、RESET按鈕的工作狀態(tài)。
根據(jù)上述要求，應(yīng)選用輸入點的個數(shù)≥9﹑輸出點的個數(shù)≥6的PLC。
3.2?程序存儲器容量的選擇
由系統(tǒng)的控制要求及上述分析可知，該系統(tǒng)不需要模擬量變換及存儲，僅需要15個開關(guān)量控制，因此可以估算：存儲器字節(jié)數(shù)≥開關(guān)量I/O總數(shù)×8=15×8=120字節(jié)。
3.3? PLC型號的選擇
由計算及分析可知，此系統(tǒng)對PLC的掃描速度及其他方面無特殊要求，僅對要選擇的PLC輸入點的個數(shù)(≥9)、輸出點的個數(shù)(≥6)、存儲器字數(shù)(≥120字節(jié))提出要求。為此，選用S7-300型號的PLC(CPU315-2DP)及SM323數(shù)字量I/O模塊2個(它共有16個輸入﹑輸出點)，隨機存儲器容量為48 KB，計數(shù)器64個，定時器128個。其結(jié)構(gòu)緊湊﹑體積小，處理數(shù)據(jù)和通信能力強﹑功能指令豐富﹑直觀，并且具有PROFIBUS-DP、MPI通信接口，易于構(gòu)成現(xiàn)場總線系統(tǒng)和實現(xiàn)多級網(wǎng)絡(luò)控制[2]。I/O接點的分配如表1所示，PLC與器件的邏輯線路圖如圖4所示。
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4? 系統(tǒng)的工作原理
該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。系統(tǒng)中的2個限位行程開關(guān)、1個真空檢測傳感器及控制面板上的4個顯示信號(START按鈕﹑RESET按鈕﹑AUTO/MAN開關(guān)﹑STOP按鈕)作為輸入信號，由接線端子經(jīng)標準數(shù)據(jù)線傳輸送至PLC。處理器(CPU)掃描輸入映像寄存器，根據(jù)系統(tǒng)程序的控制要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，執(zhí)行結(jié)果寫入到輸出映像寄存器，然后再經(jīng)標準數(shù)據(jù)線及接線端子傳輸線送至如圖2所示的閥島，換向閥電磁鐵得電接通，打開相應(yīng)的通路，驅(qū)動對應(yīng)氣缸內(nèi)的活塞運行[2]。
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CPU系統(tǒng)的控制面板安裝在操控臺上，24 V直流電源、S7-300PLC、直流繼電器、真空發(fā)生器等元件均放置在電控箱內(nèi)。直流繼電器的作用是當系統(tǒng)發(fā)生緊急事故時，可立即切斷PLC模塊的輸出電源進而切斷整個輸出信號，使系統(tǒng)停止工作。本系統(tǒng)的控制信號采用I/O接線端子的標準數(shù)據(jù)線進行傳輸，不僅便于系統(tǒng)布線和檢修，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，更便于對系統(tǒng)進行遠程控制。
5 軟件設(shè)計
??? STEP7軟件功能強大，可以實現(xiàn)在線編程﹑在線診斷，支持梯形圖(LAD)﹑語句表(STL)﹑功能塊圖(FBD)等語言編程，用戶可以根據(jù)自己的需要進行選擇。此外，該軟件還具有友好的用戶界面[6]。本文采用梯形圖(LAD)編程，編程時應(yīng)注意氣動機械手的各個輸出狀態(tài)一定要與各個輸入器件的狀態(tài)對應(yīng)起來，并且要考慮到系統(tǒng)的具體控制要求。如為了保證系統(tǒng)的安全性，編程時設(shè)置一些聯(lián)鎖和互鎖是必須的。例如，擺臂左擺與右擺之間要防止2個順序相反的操作同時發(fā)生。機械手擺動的部分梯形圖程序如圖6所示，機械手在一個循環(huán)周期內(nèi)的擺動有左擺和右擺2個動作，在這2個狀態(tài)下，要考慮它們的輸出及與輸出有關(guān)的各個輸入元件的狀態(tài)。
??? 自動與手動2種工作方式僅需要在手動工作方式前加一個自動工作的開關(guān)即可實現(xiàn)。當程序完成后，利用專用的PC適配器將程序從計算機的RS-232串行口下載到PLC的MPI接口[2]。
該控制系統(tǒng)采用了PLC的編程控制，與同類系統(tǒng)相比節(jié)省了大量的電氣元件，大大降低了開發(fā)成本。此外，系統(tǒng)由于采用了軟件編程，其動作操作可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行移動調(diào)試[2]。該氣動機械手經(jīng)在模擬試驗臺上安裝﹑調(diào)試后運行穩(wěn)定。系統(tǒng)簡單實用、安全可靠、操作性強、外形尺寸小。其結(jié)構(gòu)﹑原理﹑功能均能服務(wù)于實際生產(chǎn)。
參考文獻
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