基于PLC的工业取料机械手系统设计.pdf

5 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第 3 期 基 于 P L C 的工业 取 料 机械 手 系统设 计 周鸿杰 h， 骆敏舟 ， 李涛 ， 徐林森 ， 胡晓娟 ， 1 ． 中国科学院合肥智能机械研究所 ， 合肥 2 3 0 0 3 l 2 ． 中国科 学技术大学 a ．自动化 系； b ．精密机械与精密仪器 系， 合肥 2 3 0 0 2 7 3 ． 常州机械 电子工程研究所， 江苏 常州 2 1 3 1 6 4 摘要 介绍了一种基于 P L C控制的工业取料机械手 ， 设计 了取料机械手的机械 结构和气动 系 统 ， 并给 出了 P L C控制系统的软硬件设计和步进 电机运行速度控制设计 ， 该 系统应用于注塑行业， 具有稳定可靠的性能， 提高了生产效率。 关键 词 P L C； 机械 手 ； 气动 系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 0 0 3 0 0 5 0 0 3 De s i g n o f ma n i pu l a t o r s y s t e m i n i nd u s t r y pa r t de l i v e r y b a s e d o n PLC Z H O U H o n g j i e ’ ， L U O Mi n z h o u ， L I T a o ， X U L i n s e n ， HU X i a u a n 1 ． I n s t i t u t e o f l n t e U i g e n t Ma c h i n e s ， C h i n e s e A c a d e my of S c i e n c e s ， H ef e i 2 3 0 0 3 1 ， C h in a ； 2 d ． D e p a r t m e n t of A u t o ma t i o n； b ． D e p a r t m e n t o f P r e c is i o n Ma c h i n e r y a n d P r e c i o n I n s t r u m e n t a t i o n ． U n i v e r s i ty ofS c 1 w e a n d T e c h n o l o g y of C h i n a， H e f e i 2 3 0 0 2 7 ， C h i n a； 3 ． C h a n g z h o u b zs t i t u t e ofMe c h a t r o n ic s E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u C h a n g z h o u 2 1 3 1 6 4， C h i n a Abs t r a c t Th i s pa p e r i n t r o d u c e o n e i n d us t r y pa r t d e l i v e r ma ni p u l a t o r b a s e d o n P LC，t he me c h a n i c a l c o n s t r u c t i o n a n d pn e u ma t i c s y s t e m o f t h e ma n i p u l a t o r us e d i n i n d u s t ry p a r t d e l i v e ry h a v e b e e n de s i g n e d， a l s o p r o v i d e t h e s o f t wa r e a n d ha r d wa r e o f t he c o n t r o l s y s t e m ba s e d o n PLC a n d s p e e d c o n t r o l o f t h e s t e p mo t o r ．T h i s s y s t e m u s e d i n i n j e c t i o n m o l d i n g i n d u s t ry， h a s a s t a b l e a n d r e l i a b l e p e rf o r m a n c e ， w h i c h c a n i mp r o v e p r o d u c t i o n e ffi c i e n c y ． Ke y wor ds PL C；ma n i p u l a t o r ；p n e u ma t i c s y s t e m 0 引言 目前在各种不同的工业企业 中， 比如注塑行业 、 铸件行业等 ， 经常有工件等需要搬运 ， 特别是各种零 件在机电、 日用品 、 五金中占很大比例 7 0 ％ 以上 ， 但 目前绝大多数是采用手工取料 ， 从而引发了大量 的工伤事故。应用 P L C控制机械手能 实现各种规 定的工序动作 ， 不仅可以提高产品的生产效率 ， 而且 对保障人身安全 ， 改善劳动环境 ， 减轻劳动强度 ， 提 高劳动生产率 ， 节约原材料消耗以及降低生产成本 ， 有着十分重要的意义。 该文研究 的基于 P L C系统 的工业取料机械手 具有造价低 ， 使用灵活等优点， 可以广泛应用于机械 行业 、 电子行业 、 化工行业 、 食 品和包装行业等各种 恶劣环境的操作 ， 特别适用于注塑行业 ， 大幅度提高 收稿 日期 2 0 0 90 91 1 作者简 介 周鸿杰 1 9 8 5 ． 男 ， 重 庆人 ， 中国科学技术 大学硕J 一 研究生 ， 研 究方 向为 自动化控制 了生产效率和生产质量 ， 可 以创造 巨大的社会效益 和经济效益。 1 机械手的结构及工作原理 该机械手 由机械手臂、 电机 、 联轴器 、 汽缸 、 丝 杠 、 导轨 、 吸盘 、 底座组成 ， 如图 1所示。 引拔汽缸 导轨 丝杆 上下汽缸 图 1 机械手机构示意图 2 0 1 0年第 3期 工业仪表与 自动化装置 5 1 在 方向， 选用普通汽缸驱动， 直线导轨导向。 在 y 方向， 采用步进电机驱动丝杆的传动方式。在 z方 向， 选用高速汽缸驱动 。同时在 Y自由度上设 有限位开关 ， 而在 、 Z 自由度汽缸以及 吸盘旋转汽 缸都设有磁性开关 ， 用来 限定机械手移动范围及进 行限位保护。 吸盘旋转部分 的结构如 图2所示 ， 采用吸盘吸 取塑件 ， 选用汽缸驱动实现吸盘架 9 0 。 旋转。同时 在汽缸两侧 需 有接 触开 关 以确 定侧 姿 或 回正状 态。吸盘末 端 需有 磁 性开 关 以 确定 塑 件是 否 到 位 ， 同时还设有真 空压力 开关 以检测 真空 度是 否 达到要求。 图 2 机械手侧姿结构图 上下 臂 吸盘 机械手的工作流程为 机械手在初始位置， 由电 机配合联轴器带动丝杠使 机械手臂沿 y方 向作横 人运动 ， 到达限位开关即停止， 然后 由汽缸推动竖直 方 向手臂沿 方 向作引拔进运动 ， 到达磁性开关即 停止 ， 然后有高速汽缸推动竖直方向手臂沿 z方 向 作下行运动 ， 碰到磁性开关 即停止 ， 然后吸取塑件， 上行 ， 引拔退 ， 横出， 下行 ， 吸盘旋转 ， 放塑件 ， 吸盘 回 正 ， 上行 回到原点。 2 机械手 的气动控 制系统 根据机械手的工作流程设计图 3所示 的气动原 理图， 为了使汽缸运行速度比较平稳 ， 提高机械手的 稳定性及工作效率 ， 在每一个独立的气动 回路都配 有单 向节流阀。由于运动的惯性和气体具有可压缩 性 ， 如果在汽缸运动到满量程时停止汽缸 ， 则会产生 较大的冲击和噪声 ， 因此在每个汽缸上接近满量程 时都配有磁性开关 ， 当汽缸运行接触到磁性开关 时， 电磁阀断电， 汽缸 由于惯性作用继续运动 ， 当到达满 量程时速度减为零 ， 这样可 以实现较好的缓冲效果 ， 减小冲击和噪声。 引拔气 缸 上 下行 气缸 吸盘 旋转 “1 t l C P 9 5 S DB 5 0 _ 6 0 0 一 Y5 9 A L C P 9 5 S DB 4 0 - 6 0 0 - Y 5 9 AL C P 9 5 S D B 5 0 一 J 0 0 一 Y 5 9 AL 真空发生器组件 1 ． 手动截止 阀； 2 ． 储气罐 ； 3 ． 分水 滤气器 ； 4 ． 过滤减压阀 ； 5 ． 二位五通 电磁阀 ； 6 ． 磁性开关 ； 7 ．二位五通电磁阀； 8 ．二位五通电磁 阀； 9 ． 单 向节流阀 ； 1 0 ． 真空 吸盘 图 3 机械手气动 系统原理 图 对于抓取物体 的真空吸盘部分 ， 必须配备 真空 发生器 ， 由于真空吸盘是抓取物体的关键部分 ， 为了 防止物体脱落 ， 真空发生器所产生 的吸力必须大于 或者等于所抓取物体的重力。 真空发生器的吸力公式为 F p An ／ a 其中 F为真空发生器产生的吸力； p为真空度； A为 吸盘的有效 面积 ； n为吸盘个 数 ； 为安全系数 ， 一 般来说 ， 采用标准吸盘时， 6 。 假设吸盘所抓取 的物体最大重量为 3 k g ， 吸盘 个数为 尼 4 ， 吸盘直径 3 2 m m， 则有效面积为 A8 1 0 m ， 则通过上述公式计算 出 P0 ． 0 5 5 M P a 。 此时真空发生器的真空度最小应为 0 ． 0 5 5 MP a 。 3 机械手控制 系统组成 3 ． 1 控制系统整体方案 如图4所示 ， 系统采用 P L C进行控制 ， 其 中横 入横出部分选用电机进行 控制 ， 为了达到机械手 的 5 2 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第3期 精确定位 ， 采用步进电机进行控制 。另外， 为实现快 速平稳控制电机启停 ， 设计 出步进 电机 的速度控制 步骤及相关算法 ， 实现 了对 步进 电机的升降速度控 制。电机通过联轴器带动丝杠从而带动机械臂沿直 线导轨横入横 出。而引拔 ， 上下行 ， 旋转 ， 抓取部分 全部采用气动控制 ， 同时采用触摸屏进行人机对话 十分直观。 横 图 4 机械手控 制系统框架 系统工作模式分为全 自动模式 、 单循环模式 、 手 动模式 ， 用户可以根据实际需要选择 ， 非常方便 。在 全 自动模式下 ， 机械手每隔 1 0 S 完成一次取料 ， 不 停往复 ； 在单循环模式下 ， 机械手完成一次取料后停 在原点 ， 等待下一次命令到来 ； 在手动模式下， 机械 手输入的手动按键命令做单个方 向动作 ， 包括横入 ， 横出 ， 引拔进 ， 引拔退 ， 上行 ， 下行 ， 侧姿 9 0 。 旋转 ， 回正 水平 。 3 ． 2电机 控制 由于机械手横移方向行程较大 ， 且 、 z方 向的 重量全集中在该 自由度上 ， 因而负载较重 ， 速度也较 高 ， 实验证明采用汽缸驱动很容易出现汽缸密封圈泄 漏的现象， 无法满足实际要求 ， 因而采用步进电机配 合联轴器丝杆传动的驱动方式 ， 且该驱动方式能有效 地调节机械手的运行速度以及机械手的定位。在这 种情况下可以大大减小误差， 提高机械手的定位精 度 ， 从而使系统具有更高的可靠性和更高的效率。 电机控制系统 由脉 冲信 号、 信号分配 、 功率放 大、 步进电机组成 ， 其 中脉冲信号 由 P L C产生， 通过 信号分配再经过功率放大驱动步进电机带动负载工 作 ， 如图 5所示 。 5 步进 电机驱动 系统 为了使电机运行速度平稳及达到更高的定位精 度 ， 必须对步进 电机的升降速过程进行严格的控制。 该文采用指数形式 曲线升降速 ， 如 图 6所示 。该方 式是根据步进电机的矩频特性 曲线 以及实际情况， 能够更好的迎合 电机 自身 的特性 ， 符合步进 电机加 减速运动的规律 ， 能够充分利用电机的有效转矩 ， 快 速相应性能较好 ， 升降速时间较短 ， 能够获得很好的 实际效果。 删Z O 图 6 步进 电机升降速曲线 图 3 ． 3 气动控制 气动控制系统 I ／ O接线 图如 图 7所示 ， 由 P L C 控制电磁阀的通断实现机械手在各 自由度 的运动。 为了实际需要， 由于 方 向运动行程较小 ， 运动速 度较低 ， 中间行程不 可调 ， 选用普通汽缸驱动 ， 直线 导轨导向； 而在 z方 向， 为提高生产效率 ， 需尽量缩 短在该 自由度方向的运动时间 ， 因而选用高速汽缸。 全 幽 回 横移进 横移退 引拔进 引拔退 侧姿 回正 横 横 引 I P L C 图 7 P L C的 I ／ O接线图 4 软件设计 4 ． 1 P L C程序设计 图8所示为 P L C梯形图的总体结构图， 包括公 用程序、 自动程序 、 手动程序 、 回原位程序 4个部分 ， 其 中自动程序包括系统工作在全 自动模式下的程序 和系统工作在单循环模式下的程序。当选择手动工 作模式时 ， x 3接通 ， 跳过 自动程序执行手动程序 ； 当 选择 自动工作模式时， x 3断开， 执行 自动程序。 下转第5 7页 2 0 1 0 年第 3 期 工业仪表与自动化装置 5 7 |融 毳 | | 。 l 謦百 ～ 0 P C 数据库 日 s’ 设备 本机 鞠氍 蘸 舔 峨| 精， 诵 曩 l 誊 ≯辔镭酵 鞋 羲鼍 _。薯 | | | 。 _ 鼍 0 ； ≥ e； 0 1 1 ＼ 7 2 0 ． ． ． i 豫 n 3 C O 11 2 ； } o r c s ， 谧 D D E ～一． ． c J l E ～ T, r u 1 ■板 卡 }僦酗鼍 l‘ 薯 i 莹 | 薯 蚤 ％ 壤 嘲 器 每 每 暗 照 辛 睁 蜂 每 母 鲤 翳 静 鲤 彝 净 囊 秘 请 鳞 蟛 | O r O l L s t , r D t 趣 网络站点 巷 毽强 曩 毫 毫 毪 薯 穗毫 毒薯 弱棼 甏 I u t ． Ⅱ k l 凳 系统配置 繁 4 强 譬 ≈ 鸯 臻 尊 j |誓 誊 f 一 晴 ⋯W i h O C 譬 矗 } 曩 0 | 毒 l v mk’i 武 S Q L 访 问管理器 叠 | 叠- _． | 蕾 ] Y r o f i D r i v e P r o f i l S e r wr W e b 一 蜀戆羲 毪l 每 镰 静臻l 酶l 强赣毫 罩量 强氍H 强一 一 l | 自 禳薹 - 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