木工設(shè)備工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：指出了木工設(shè)備工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于木材加工自動(dòng)化領(lǐng)域，該系統(tǒng)由很多不同的控制器，而PLC以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、編程容易、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。介紹一種基于西門(mén)子PLC運(yùn)用順序控制來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手;西門(mén)子;PLC順序控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP241

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674—9944（2019）17-0104-03

1 系統(tǒng)概述

工業(yè)機(jī)械手初始點(diǎn)位于傳送帶B上，手臂在系統(tǒng)啟動(dòng)前上升，當(dāng)上升觸碰到限位開(kāi)關(guān)后（IB5閉合），此時(shí)手臂會(huì)發(fā)生動(dòng)作向左旋轉(zhuǎn)，碰到限位開(kāi)關(guān)后（IB2閉合），手臂下降，到達(dá)下降位置后（IB6閉合），傳送帶A就會(huì)開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)有物品進(jìn)入到手指能夠感應(yīng)的范圍時(shí)候會(huì)觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)IB1，氣缸動(dòng)作，使手指抓住物品（IB4閉合），此時(shí)手臂會(huì)上升，當(dāng)上升過(guò)程中碰到上升限位開(kāi)關(guān)后（IB5閉合），此時(shí)手臂會(huì)發(fā)生動(dòng)作向右旋轉(zhuǎn)，當(dāng)碰到限位開(kāi)關(guān)后（IB3閉合），此時(shí)手臂會(huì)下降，到達(dá)下降位置后（IB6閉合），會(huì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)使手指松開(kāi)，此時(shí)物品會(huì)被放置到傳送帶B上，延時(shí)2 s，以此循環(huán)（圖1）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)包括以下幾部分：①傳送帶：運(yùn)輸工件;②光電開(kāi)關(guān)：感應(yīng)工件;③氣爪：抓取工件;④絲杠：升降機(jī)構(gòu);⑤電磁閥：控制氣爪開(kāi)閉;⑥限位開(kāi)關(guān)：控制升降極限位置;⑦三相異步電動(dòng)機(jī)：控制傳送帶開(kāi)肩和停止。

2.2 PLC、系統(tǒng)I/O分配

在進(jìn)行PLC程序編寫(xiě)之前，要將對(duì)應(yīng)的I/O口分配好，信號(hào)和接口要一一對(duì)應(yīng)好，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，將輸入和輸出接口分配如表1所示。

3順序控制基本概念

3.1 順序控制的基本概念

順序控制就是按照要求設(shè)定好的動(dòng)作順序，在各命令的作用下，根據(jù)程序設(shè)定好的內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間順序，各機(jī)構(gòu)在程序的控制下按照一定的順序進(jìn)行動(dòng)作。典型的例子，如常見(jiàn)的交通信號(hào)燈和機(jī)械手搬運(yùn)等等都是運(yùn)用到程序順序控制的案例來(lái)進(jìn)行按順序進(jìn)行動(dòng)作的。此種利用PLC順序控制的實(shí)例是可以按照順序控制設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行編程軟件設(shè)計(jì)的。采用順序控制設(shè)計(jì)法時(shí)，應(yīng)按照以下步驟就行，首先根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，畫(huà)出順序功能圖，然后以此為依據(jù)進(jìn)行梯形圖程序的編寫(xiě)。

3.2 順序功能圖

順序功能圖由4個(gè)部分構(gòu)成：步、與步對(duì)應(yīng)的動(dòng)作或命令、有向連線(xiàn)和轉(zhuǎn)換條件。

3.2.1 步的概念

順序控制最基本的思想是系統(tǒng)由若干個(gè)按照一定順序相連的階段構(gòu)成的，而這些階段就叫做步，步是用編程元件來(lái)表示的。步的劃分是根據(jù)一個(gè)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)的變化來(lái)進(jìn)行劃分的，一步內(nèi)的輸出狀態(tài)是不變的，為1或者O，而兩個(gè)相鄰步之間的輸出狀態(tài)量一定是不同的，步的這種劃分方法使代表各狀態(tài)輸出量和編程元件的變化的邏輯關(guān)系是非常簡(jiǎn)單的。

以運(yùn)料小車(chē)自動(dòng)往返控制系統(tǒng)為例，如圖2所示，小乍初始停在最左邊SQ1位置，限位開(kāi)關(guān)IO.1=1。按下啟動(dòng)按鈕，小車(chē)右行至中限位SQ2后左行。左行至SQ1后停止5s，時(shí)間到右行至SQ3后再左行，第二次左行至SQ1小車(chē)停止。根據(jù)工作任務(wù)要求，由 QO.0和QO.1的狀態(tài)變化（圖3），將上述工作過(guò)程分為5步，分別用M4.1- M4.5來(lái)代表這5步，另外還設(shè)置了一個(gè)等待啟動(dòng)的初始步。圖4所示是描該陔系統(tǒng)的順序功能圖，圖中用矩形方框表示步。為了更直觀地將功能圖和梯形圖之間的轉(zhuǎn)換，為了便于將順序功能圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，將編程的地址作為每個(gè)步的代號(hào)，并標(biāo)注了相互之間轉(zhuǎn)換的條件和命令。

初始步為系統(tǒng)的初始狀態(tài)，一般為靜止?fàn)顟B(tài)，等待系統(tǒng)對(duì)其發(fā)出命令。初始步的表示是用雙線(xiàn)框，初始步在每一個(gè)順序功能圖中都是必須有的。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的步時(shí)候，該步就被激活，執(zhí)行該步對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

3.2.2 與步對(duì)應(yīng)的動(dòng)作或命令

控制系統(tǒng)的每一步都有要完成的某些動(dòng)作或命令，當(dāng)該步處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該步內(nèi)相應(yīng)的動(dòng)作或命令被執(zhí)行;反之不被執(zhí)行。與該步相關(guān)的動(dòng)作或命令用矩形框中的文字或符號(hào)表示。根據(jù)需要，指令與對(duì)象的動(dòng)作響應(yīng)之間可能有多種情況。如圖4所示的步M4.1對(duì)應(yīng)的動(dòng)作為QO.O=1，QO.1僅在M4.1為活動(dòng)步時(shí)才會(huì)得電，如果M.1.1不是活動(dòng)步，則Q0.0=O。如果某一步對(duì)應(yīng)幾個(gè)動(dòng)作，畫(huà)法就可以用圖5中對(duì)應(yīng)的兩種畫(huà)法來(lái)表示，同一個(gè)步中不同的動(dòng)作是沒(méi)有順序關(guān)系的。

3.2.3 有向連線(xiàn)

有向連線(xiàn)是指步的轉(zhuǎn)換過(guò)程指向表明步的轉(zhuǎn)換過(guò)程，即代表系統(tǒng)輸出狀態(tài)的變化過(guò)程。順序控制設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)狀態(tài)的輸出是按照程序規(guī)定順序來(lái)的，而該順序的體現(xiàn)就說(shuō)有向連線(xiàn)。功能圖中的各方框代表的是每個(gè)步，而有向連線(xiàn)將他們按照一定的順序連接起來(lái)表示程序是按照一定的順序執(zhí)行的，系統(tǒng)是按照一定的順序輸出對(duì)應(yīng)狀態(tài)的。一般功能圖的進(jìn)展方向是從下往下或者從左到右，用有向線(xiàn)段連接起來(lái)。

3.2.4 轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)換條件

當(dāng)需要轉(zhuǎn)換時(shí)，在連線(xiàn)上用垂直于有向線(xiàn)段的短線(xiàn)來(lái)表示，轉(zhuǎn)換是將相鄰的兩步分隔開(kāi)來(lái)。每個(gè)步是否被激活是由轉(zhuǎn)換條件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種輸入條件相對(duì)應(yīng)的。可以看出由前一步到下一步的信號(hào)叫做轉(zhuǎn)換條件，該條件可以是內(nèi)部狀態(tài)的變化，例如計(jì)時(shí)器、定時(shí)器、加計(jì)數(shù)器輸出的觸點(diǎn)接通，或者信號(hào)的與、或、非邏輯組合也可以是外部條件輸入信號(hào)，例如傳感器、按鈕、開(kāi)關(guān)等。

3.3順序控制基本概念

3.3.1 單序列

如圖6（a）所示的順序功能圖由一系列順序連接的步組成，每一步后面僅有一個(gè)轉(zhuǎn)換，每一個(gè)轉(zhuǎn)換的后面只有一個(gè)步，這樣的順序功能圖結(jié)構(gòu)稱(chēng)為單序列。

3.3.2 并行序列

并列序列如圖6（b）所示，是指幾個(gè)系統(tǒng)并行工作的情況。而每個(gè)并行工作的序列就叫分支，當(dāng)這幾個(gè)序列同時(shí)起作用時(shí)候，這些序列就稱(chēng)為并行序列。當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足步3被激活且轉(zhuǎn)換條件e=1時(shí)候，步4和6都會(huì)被激活。而步3就會(huì)變成步活動(dòng)步。水平的連接線(xiàn)用雙線(xiàn)表示是為了強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換是同步實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)步4和步6被同時(shí)變成活動(dòng)步后，每個(gè)序列中活動(dòng)步的運(yùn)行是相互獨(dú)立的。這就表示在雙水平線(xiàn)上，只能有一個(gè)轉(zhuǎn)換符號(hào)。

當(dāng)并列的序列合并時(shí)就叫合并，水平雙線(xiàn)之下只允許一個(gè)轉(zhuǎn)換符號(hào)。當(dāng)有這種情況的時(shí)候，雙線(xiàn)上的所有前面一級(jí)的步都處于被激活時(shí)候，比如步6和步8都是活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，且滿(mǎn)足轉(zhuǎn)移條件i=1時(shí)，此時(shí)步9就會(huì)變成活動(dòng)步，而步5和步8就會(huì)同時(shí)變成為步活動(dòng)步。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

順序功能圖的繪制及梯形圖設(shè)計(jì)如圖7、圖8所示。

5結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種基于西門(mén)子PLC運(yùn)用順序控制來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工件的運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，節(jié)省了人力成本，并提高了該系統(tǒng)的可靠性。如果能在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)殘缺件識(shí)別分揀，還能進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡心源，梁守志，陶鑫鈺，等.工業(yè)機(jī)械手及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2017（10）.

[2]鄭淮棱，潘琦.淺析工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2019（20）.

[3]王梅，谷小亞.工業(yè)機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子世界，2019（19）.

[4]杜偉炯.電氣控制與PLIC應(yīng)用技術(shù)的分析[J].電子制作，2016（22）.

[5]管永忠.工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)探析[J].裝備制造技術(shù)，2011（5）.

收稿日期：2019-10- 28

作者簡(jiǎn)介：豐波（1991 -），男，碩士，助教，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化電氣控制。