基于PLC的铝锭堆垛机器人控制系统的设计.pdf

机械研究与应用 梅测与控制 基于 P L C的铝锭堆垛机器人控制系统的设计 张晓莉 ， 林和荣 江西理工大学 机电工程 学院 。 江西 赣州3 4 1 0 0 0 摘要 结合铝锭的堆垛作业， 采用 S 4 0 MA型 P C机， 设计 了铝锭堆垛机械手模型的控制 系统。 确定了／ ／ O点分配及 控制系统总图， 并给出了总梯形图。这种技术同样适用于其它工业机器人控制系统。 关键词 堆垛机械手 ；铝锭 ； P L C 中图分类号 T P 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 1 o 6 一 O l l 7 0 2 De s i g n o f t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e s t a c k- ma n i p u l a t o r t o a l u mi niu m- i n g o t b a s e d o n PLC Zh a n g Xi a o一 “．L i n He t o n g S c h o o l o fme c h a n i c a l e l e c t r ic a l e n g i n e e r i n g ， J i a n g x i u n i v e r s i t y o fs c i e n c e t e c h n o l o g y ， G a n z h o u J i a n g x i 3 4 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t C o mb i n i n g s t a c k o f t h e a l u mi n i u m- i n q o t ， u s i n g S 4 0 MA P C， t h e c o n t r o l s y s t e m of t h e a u t o ma t i c s t a c k ma n i p u l a t o r i s d e s i g n e d， t h e I ／ O d i s t r i b u t i o n d i a g r a m a n d c o n t r o l s y s t e m d i a gra m a r e c o n f o r me d， a n d t h e g e n e r a l l a d d e r g r a p h i s s i r e n ．T h e s k i l l a l s o C an a p p l y t o o t h e r c o n t r o l s y s t e m o f i n d u s t rial r o b o t s ． Ke y wo r d s s t a c k - ma n i p u l a t o r ；a l u mi n u m- i n g o t ；P L C 1 引 言 铝锭的搬运和堆垛是电解铝行业中不可缺少的 一 种作业方式， 堆垛作业的劳动强度大， 且常常是在 高温环境下工作。在传统的铝锭堆垛作业中， 堆垛 作业方式工序流程长， 所需使用的设备多， 且占用空 间大， 堆垛效率低。所以有必要设计一种 占地面积 小、 作业范围大、 堆垛效率高和便于操作的堆垛机械 手来完成铝锭的堆垛作业。铝锭的外形与尺寸如图 1 所示。堆垛要求为 ①一垛为 1 1 层， 第一层为 4 块， 其余各层为5块； ②相邻两层交错 9 O 。 放置； ③第 一 层4块宽面朝上放置。其余各层中的相邻两块铝 锭均按正反向方位放置。 根据铝锭的 堆垛要求建立的 机械手运动系统 如图2所示 。采 用此图所示的运 动系统可是机械 图 1 铝锭外形尺寸图 手具有 夹持 、 上举、 放下、 伸缩、 摆动及翻转定向的操 作机能。其中夹持和翻转动作由手部来实现⋯。 2 系统设计 2 ． 1 系统总体设计 控制系统是机械手的重要组成部分， 它是一种典 型的多轴实时运动控制系统， 其作用是支配执行机 构， 按所需的顺序， 沿规定的轨迹或是位置运动。该 控制系统的硬件包括主机， P L C及相应的电路， 液压 缸， 示教盒等。该控制系统的总体设计结构图如图3 所示 j 。 图2 机械手运动系统图 r一电磁换向阀 f H 电 磁 换 向 阀 图3 系统控制总体结构图 2 ． 2 机械手动作流程 机械手的动作过程及各动作的元件配置如图4 所示 。 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 - 2 8 作者简介 张晓莉 1 9 7 8 一 ， 女， 山西永济人， 讲师， 在读博士， 主要从事工业机器人及测控技术与仪器方面的研究。 l l 7 耋 一一一一～一～一～ 越测与控制 机械研究与应用 光 睾 。剥 _ 、 ， 一 电 磁 喀 向 斓 ． 穆 一一 ⋯ l l 一 l l 上 上 址 夹肇 硅阀 夹紧电磁 一 一 图4 机械手动作流程图 3 P L C选择及 I ／ o点数分配 根据机械手的整个动作流程及各个动作相应 的 执行元件可知， 该控制系统整个动作过程中动作比较 少， 并且动作也不是很复杂， 故可知其 I ／ 0点数也相 应较少， 选用中档机即可满足其动作要求。又在整个 l 0 o 0 1 f 0 x 0 2 O 0 0 i 0 0 l 2 0 0 l l O 0 2 2 0 o 2 i 0 ∞ 2 0 ∞ X l Y l t O 晴 2 O ∞ l O o 5 2 O 8 6 i 0 0 6 2 0 0 6 x 2 2 l 0 0 】 i 3 2 l O l 1 0 o T 2 0 0 7 黼 l O l 1 l 1 0 1 2 1 0 1 3 l 0 l 4 l 0 1 5 l 1 加 图5 系统 I ／ O点数分配图 下 降 饲 艘阀 夹 紧 电 磁阀 上 升电 磁阉 电 磁捷 向罔 电 磁 授向蔺 左 移悄 服阀 右 移电 磁阀 电 磁 挟向 蠲 电 磁换 向同 步 进电 机 步 进 电 机 原l 指示 动作过程中， 有部分动作执行元件是具有伺服检测系 统的， 故又在 P L C的选型上要考虑扩展模块的选择。 3 ． 1 P L C的选择 根据控制要求 ， 选 用 S 4 0 MA型 P C机 。其具 有 1 6点开关量输入 1 0 0 0 1 0 1 5 ， 8点模拟量输 入 X 0 一 x 7 。其模拟量改成开关量使用时对应的开关点输 人为 1 1 0 0 1 1 0 7 。其输出具有 l 4点开关量输出 2 0 0 0 2 0 1 3 ， 模拟量输出为 Y o ， Y l 。显然模态输出 不足， 须扩展 I／ 0点数， 使用扩展机 S 4 0 E I 2 4点 输人 1 1 0 8 1 2 1 5 ，l 6点输 出 2 1 0 0 - 2 1 1 5 。 3 ． 2 I ／ O点分配 I 1 0点分配如图 5所示。 4 总体程序结构设计 总体程序其实既是整个机械手动作过程的所有 程序组合， 也是整个控制系统的控制程序。其程序梯 形图如图 6所示。 5 结论 1 通过对堆垛作业要求进行分析， 确立了4自 由度铝锭堆垛机械手的运动系统， 并建立相应的运动 学模型， 为铝锭堆垛机械手的研制奠定了理论基础。 2 本文建立的控制系统所研制的堆垛机械手， 作业空间大， 占地面积小， 各运动关节相互独立， 易以 控制， 可以满足铝锭堆垛作业要求。 3 通过本论文的研究工作构建了集机械系统、 驱动与控制系统于一体的堆垛机械手雏型。 ll 8 第层第块 计数2 5 攻后 一 垛堆完 第一层计数 自动程序卜～ 第一层第4 块的堆垛t 自动程序2 - ⋯一第二层第1 块的堆垛， 自动程序3 第二层第2 快的堆垛， 在此之后只须改变伺服阔的输入量． 就可以实现其余铝锭的堆垛要求 5 1 0 3 计数器计到的是第二层以后的偶数块铝锭 计 J 2 5 时其实既是5 4 快铝锭． 也即一垛的堆垛动作全部完成。 第二层第一块 图6 总体程序结构图 4 在本论文研究的基础上， 对末端执行件 手 部 的形状及控制方式稍作改进， 可将堆垛机械手应 用到其它有色冶炼、 冶金、 建材、 粮食、 机械制造等行 业中的物料搬运与堆垛作业。 参考文献 [ 1 ] 蔡 自 兴． 机器人学[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 宋进． 8自由度遥控机器人控制系统设计[ J ] ． 机械设计与制 造工程 ， 2 0 0 1 ， 3 0 3 5 0 - 5 4 ． [ 3 ] 扬年法． 堆垛机器人控制系统的研究[ J ] ． 江苏理工大学学报， 1 9 9 8， 1 9 6 8 5 9 o ．