PLC控制氣動式機械手系統的設計與開發

機械手和注塑機的配套使用能實現注塑生產智能化，但取模機械手若采用繼電器作為控制核心，經常出現系統誤操作、失靈、撞壞設備等情形。

為了提高注塑機取件機械手的穩定性，本文利用擴展方便的PLC代替繼電器，結合速度快的氣缸驅動技術，設計了氣壓驅動系統和PLC控制系統，對提高工業自動化程度具有積極意

義。

1、機械手的結構和控制要求

在氣缸的帶動下，手臂終端可在3 個坐標內工作。系統主要是控制雙電控電磁閥線圈的通電狀態來驅動氣動元件，改變氣壓回路中換向閥的工作位置來使氣流按要求流動，向控制系統發送規定的開關信號來控制機械手。整機結構如圖1所示。

結合注塑機開模、合模等工作過程，在氣缸的驅動下，機械手的控制要求如下:

(1) 選擇自動模式時，按下開始開關，待注塑機開模后，電磁閥( 線圈A1) 通電，手臂下降到吸盤和注塑件剛好接觸的高度，至下降近接開關動作。

圖1 機械手的結構圖

(2) 電磁閥( 線圈C1) 通電，在吸盤和帶有平面的注塑件之

間產生負壓，吸盤吸住注塑件，至吸氣近接開關動作［2］。

(3) 電磁閥( 線圈A2) 通電，手臂上升，至上升近接開關動作。

(4) 電磁閥( 線圈B1) 通電，引拔前進，至前進近接開關動作。

(5) 電磁閥( 線圈D1) 通電，手臂和引拔整體旋出，至旋出近接開關動作。

(6) 電磁閥( 線圈A1) 通電，手臂與地面呈一定角度下降，至下降近接開關動作。

(7) 電磁閥( 線圈C2) 通電，注塑件和吸盤之間的氣壓恢復正常值，吸盤放下注塑件，至放氣近接開關動作。
(8) 電磁閥( 線圈A2) 通電，手臂上升，至上升近接開關動作。

(9) 電磁閥( 線圈D2) 通電，手臂和引拔整體旋入，至旋入近接開關動作。

(10 ) 電磁閥( 線圈B2) 通電，引拔后退，至后退近接開關動作。完成一次循環后等待注塑機開模，重復以上過程。

(11) 按下停止按鈕或斷電，當前步驟中的機械手，在重新啟動之前將停止工作。

(12) 能夠切換為手動模式，按下對應的開關，機械手根據命令執行相應的動作，也可以根據工藝流程自動運行。

自動控制的動作流程: 注塑機開模，手臂下降→吸盤取物→手臂上升→引拔前進→手臂和引拔旋出→手臂下降→吸盤放物→手臂上升→手臂和引拔旋入→引拔后退，等待注塑機再次開模。

2、氣動系統設計

按照機械手的移動軌跡和電磁閥、氣缸的工作原理，在氣缸驅動過程中，采用4 個雙電控電磁閥來掌控3 個氣缸和1 個負壓發生器。此外，各氣路配置了節流閥，可以調節速度。在手動狀態下，按下相應的按鈕，控制相應氣缸和負壓發生器的電磁閥上電，在氣缸的驅動和吸盤的執行下，機械手開始工作。

把負壓發生器與氣吸盤串聯在一起，當有高壓氣體通過負壓發生器時，氣吸盤呈現負壓并吸起物品。為了減緩手臂上下運行時機臺的晃動，使用上下緩沖氣缸做緩沖。氣動原理圖如圖2 所示。

圖2 氣動原理圖

3、機械手控制系統的構成與設計開發

3.1 控制系統的構成

該控制系統由以下模塊組成: PLC 控制器、I /O 接線端子、數據傳輸電纜、按鈕開關、近接開關?？刂破? PLC) 通過控制執行機構( 電磁閥) 來使驅動模塊［3］ (氣缸和負壓發生器) 按照指令運動，從而導致運動機構( 手臂和吸盤) 的工作，同時接收裝在機械手機身上的傳感器( 近接開關) 反饋回來的信號，以此監測機械手的運動情況。PLC 控制原理框圖如圖3 所示。

圖3 控制系統原理框圖

3.2 確定PLC 的I /O 點個數

通過對PLC 和動作過程進行研究，總結出需將如下信號傳輸給它: 8 個開關"按鈕X"信號，這是控制機械手運動要用到的。8 個近接開關"確認X"信號，分別用來檢測機械手的運動狀態并反饋給PLC。此外，考慮到控制體系的需求，還要3 個按鈕信號依次為: "開始"、"重啟"和"位置"，1 個"停止"按鈕信號用來結束工作，1個選擇運行方式的"自動/手動"旋動開關，1 個"回原點"按鈕。

PLC 需要輸出如下信號: 控制3 個氣缸和1 個負壓發生器的4 個雙電控電磁閥需要8 個"輸出Y"動作信號。3 個用于說明機器"開始"、"重啟"和"位置"的工作狀況燈。因此采用輸入點數目≥22、輸出點數目≥11 的PLC。

3.3 PLC 型號的選擇

基于以上剖析，選取輸入點數目不少于22，輸出點數量超過11，由西門子生產的S7 － 300 PLC 及2 個SM323 輸入/輸出擴展塊［3 － 4］。該系統總共有22 個輸入點、16 個輸出點，48 KB內存， 64 個計數器以及128 個定時器。PLC 和有關信號的系統接線圖如圖4 所示。

圖4 控制系統接線圖

3.4 PLC 的程序設計

運用模塊化設計，把機械手控制程序分為: 公共程序、手動程序和自動程序。根據動作要求，設計出機械手運行時的程序，整機系統的原始情形通過IST 指令來控制，當達到IST 指令的運行要求時，為初始狀態繼電器( S0、S1、S2) 和特殊輔助繼電器的( M8040、M8041、M8042、M8043) 分配以下功能:

(1) S0，手動模式的zui初狀態繼電器;

(2) S1，回歸初始狀態的繼電器;

(3) S2，自動模式的zui初狀態繼電器;

(4) M8040，防止轉變，當導通線圈后，保持一切動作不變;

(5) M8041，開始轉變，當線圈導通，容許狀態由開始發生轉變;

(6) M8042，啟動脈沖，在按下開始開關的一剎那發揮作用;

(7) M8043，回歸到初始狀態;

(8) M8044，初始狀態前提，當整機位于原點位置時，線圈會導通。

回歸原始狀態模式: 按下回原點開關X11，使整機處在上升、后退、旋入、吸盤放氣狀態，相應近接開關導通。

手動模式不必按工序順序動作，當普通繼電器程序來設計。機械手可實現以下8 個動作: "手臂下降"、"吸盤吸氣"、"手臂上升"、"引拔前進"、"旋出"、"吸盤放氣"、"旋入"、"引拔后退"，分別用與X16、X14、X17、X22、X20、X15、X21、X23 相對應的按鈕控制。手動模式的程序如圖5 所示。

圖5 手動模式程序圖

自動模式采用順序功能圖來設計程序，說明動作的順序和狀態變化條件，方框代表"工步"，鄰近兩"工步"用線段連接，代表變化的方向，橫線代表變化的條件。當變化條件允許，則程序由前一"工步"運動到后一"工步"，順序功能圖能轉化為梯形圖程序。自動模式之前，按下回原點開關X11，使整機在初始位置。按開始開關使X18 導通，狀態變為S20。輸出信號Y3，線圈A1 通電，上下氣缸驅使手臂下行，當靠近下極*下近接開關X4 導通，狀態變為S21，S20 自行回到剛才的狀態。

流程為先輸出相應的信號，對應電磁閥其中一個線圈通電，然后特定氣缸發生動作，至近接開關導通，zui后運行狀態變化，一直運動到狀態S29，自動運行狀態轉移圖如圖6 所示。

圖6 自動運行狀態轉移圖