基于PLC的旋轉搬運系統設計

徐艷英

摘要：在生產過程中，隨著科技的進步，工業機械手已經頻繁出現在工業生產中，將工件進行分揀，然后放置到不同位置進行加工或包裝。本系統就是基于這樣一種需求的一個項目設計，完成的任務是對物料進行搬運及轉移。傳統的機械手臂的運動無法預知被控量與實際量的誤差，本設計改變傳統的旋轉氣缸控制為步進電機控制，有效提高了手臂的運動精度。系統的運行過程通過PLC來完成控制。

關鍵詞：機械手;步進電機;PLC

1? 系統說明

1.1 概述

機械手控制方式采用氣壓傳動，利用PLC程序來控制機械手的運動從而實現物料的搬運。機械手主要由手部、運動機構和控制系統三部分組成。由于氣動機械手有結構簡單、易于實現無級調速、易實現過載保護等優點，其正在向重復高精度、模塊化、機電一體化方向發展，廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。但傳統的機械手采用旋轉氣缸控制，誤差大精度低，本設計中采用步進電機控制機械手的旋轉，大大提高了運行精度。系統整體結構如圖1。

1.2 系統特征

本系統具有如下一些特征：①模塊化。本系統包括加載/卸載模塊、旋轉模塊、PLC模塊和閥門模塊。組裝比較清晰明了，機械構建比較簡單。②快速設置和更新。本系統采用PLC控制，程序易于更改。硬件設施易拆建，有利于系統實現更新換代，不斷向更高的方向發展。③重量輕。該系統架構采用鋁制材料，比較輕便，利于一些實驗場合的搬運等，同時也可節約存放空間。④改進后的步進電機控制運行精度更高，定位更準確，噪聲大大的降低。

1.3 步進電機原理、特點及選型

1.3.1 步進電機的原理

步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成角位移或直線位移的執行機構。由于受脈沖的控制，轉子的角位移量和速度與輸入脈沖的數量和頻率成正比，通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;通過改變輸入電源的相序，達到改變電機旋轉方向的目的;通過控制脈沖頻率開控制電動機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

1.3.2 步進電機的優點

①步進電機動態響應快，易于啟停、正反轉和變速;②步進電機角位移與輸入脈沖數嚴格成正比，誤差小;③速度調節平滑，低速下仍能保持較大轉矩。

1.3.3 步進電機的選型

項目設計時，步進電機的選用需要考慮電機的轉矩必須符合負載運動轉矩、轉速、輸出功率的要求。負載轉矩主要有計算法、試驗法、類比法三類方法。計算法需要大量復雜的公式計算，應用較少;試驗法誤差較大，操作方法是在負載上加個杠桿，然后用彈簧秤去拉杠桿，負載轉動時的拉力乘以力臂長度就是負載轉矩。通過對步進電機負載質量、運動速度、機構設置等方面的比較，進而來選擇電機。步進驅動器有整步、半步、細分三種驅動模式。細分具有低俗振動小和定位精度高的優點，所以本設計采用細分驅動。

2? 項目構成模塊

2.1 加載/卸載模塊的工作過程

每個部分的單元將執行下列動作：①橫向氣缸可以作Y軸的橫向移動。②垂直氣缸可以帶動機械夾子垂直向上和向下移動。③水平將帶動夾子作橫向X軸運動。④轉角夾子可以抓起搬運對象。整個模塊的工作過程如下：PLC控制橫向氣缸將需運送的送料從進料口轉移至機械夾子下方，再通過垂直氣缸使夾子接近物料，并夾起物料，垂直氣缸將物料升起，此時再通過水平氣缸將物料搬運至轉盤位置，垂直氣缸將夾子下放并松開，放下物料。這樣就完成了將物料從原先位置搬運到轉盤上的動作。

2.2 模塊上的組件（如表1）

2.3 PLC 模塊

本系統的控制對象是各類型的氣缸，要求控制線路簡單明了，抗干擾能力較強，需要控制五個氣缸，控制方式采用手動/自動轉換，輸入口需要14個，輸出口需要11個，系統工作環境要求PLC體積較小，工作性能穩定。權衡各類控制器，選擇使用三菱FX3U-48M PLC來實現控制。

PLC I/O分配。分析完項目的流程進行I/O分配，具體分配如表2所示。

2.4 閥門模塊

從閥座上提起，閥門打開;斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。它是一種直動和先導式相結合的原理，當入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導小閥和主閥關閉件依次向上提起，閥門打開。當入口與出口達到啟動壓差時，通電后，電磁力先導小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開;斷電時，先導閥利用彈簧力或介質壓力推動關閉件，向下移動，使閥門關閉。

3? 機械裝調

該系統所有的模塊需要嚴格按照標準安裝調試，具體有皮帶輸送機及機架、工件分揀裝置、機械手、圓盤、警示燈等，安裝前應清點工具及器材，檢查相關部件，清掃安裝平臺，認真閱讀工作任務書與安裝圖，明確安裝尺寸的要求，安裝完成后要進行調試。安裝精度要求輸送機、接料口高度差不能超過±1mm，調試要求：調試過程不能用手接觸帶電部分和運動的機械部件，各個模塊部件能平穩運行，能夠實現任務中要求的各種運行功能并在規定時間內完成。

4? 步進電機控制機械手的計算

在分析機械手各個軸運動的基礎上，進行步進電機的脈沖數、脈沖頻率的計算，從而設置步進驅動器的參數。

同步皮帶輪和皮帶來控制X軸的運動。步進電機帶動驅動輪控制皮帶運轉。驅動輪的外徑為D，移動距離為D1，要求時間為2s，電機的步距角為1.8°，細分數是4，則X軸脈沖當量為0.005mm/PLS，脈沖數為P=X/0.005PLS，頻率為2600HZ。參數SW1、SW2、SW3主要控制輸出電流，均置為OFF。電機停止時，X軸置于水平位置，驅動器用半流讓電機鎖住，減少發熱，SW4置為ON。

Y軸驅動為絲杠加螺母副。絲杠的螺距為4mm，步距角為1.8°，細分數是4，最大的速度為13mm/s，實際前進為X，脈沖當量為0.005mm/PLS，脈沖數為P=X/0.005PLS，頻率為2600HZ。參數調成SW1-ON、SW2-ON、SW1-OFF，Y軸為水平位置，為了減少發熱，SW4置為ON。Z軸的設置同Y軸設置相似，SW5-ON、SW6-OFF、SW8-ON。

5? 程序設計

5.1 設計思路

從控制要求分析可知，本系統具有以下功能：供料、搬運、卸載、急停，從它的控制要求分析可知，本系統裝置中的基本動作都是順序控制，因此在動作設計時既可采用基本指令實現動作，也可采用三菱PLC的步進指令作為設計導向。它的整個控制過程如下：系統通電后，電源指示燈亮，打開自動選擇開關，按下啟動按鈕，工作指示燈亮，橫向氣缸先伸出，在供料區收取物料后縮回，垂直氣缸伸出，機械夾子夾緊，夾起物料。水平氣缸伸出，將物料送至轉盤位置，機械夾子松開，放下物料，步進電機停止，水平氣缸復位。同時緊湊型氣缸至位，步進電機運行，帶動轉盤旋轉90度，緊湊型氣缸復位，步進電機停止，系統恢復到原始狀態，并開始下一個循環。

5.2 系統調試

系統調試前，需要判斷系統各硬件部分是否能正常工作。首先判斷各限位傳感器是否工作正常，將24V電源接通推拉氣缸，將水平和垂直氣缸置位或復位來檢測傳感器，氣缸到位傳感器燈亮，則工作正常，如燈不亮則對應接線圖檢查傳感器接線是否正確。其次檢查各電磁閥是否正常，手動控制電磁閥開關，檢查氣缸的運動。若氣缸不運動，則對照氣動連接圖檢查氣路是否連通，或是檢查電磁閥接線是否正確。檢查步進電機的參數是否設置正確，并進行電源等的檢查。最后，對照PLC接線圖檢查電氣連接線路是否正確，檢查空氣是否泄漏和空氣壓力的氣動連接是否準確。然后打開手動/自動開關，讓系統自動運行，觀察工作指示燈是否點亮，判斷各個氣缸工作順序是否正常，系統能否將物料進行搬運，轉盤是否能正常運轉。

6? 項目總結

本次項目設計針對氣動傳動系統的特點，搭建了由三菱PLC為控制核心的旋轉搬運系統。通過對該氣動傳動裝置的設計、裝配以及程序設計，實現了在PLC控制下的氣缸順序動作控制，完成了以氣動系統作為主要的動力源實現物料的搬運和分揀操作。使筆者更加深入理解氣動回路的設計方法以及熟悉PLC控制的工作原理。本次設計中利用步進電機控制機械手的運行，克服了傳統旋轉氣缸控制中運行精度低、穩定性差的缺點，能實現機械手搬運物料較平滑的控制，但是還有許多有意義的工作沒有深入進行，主要有以下幾點：①繼續深化新的工作原理的研究，并將其完善，擴展到其他類型的氣動控制系統。②繼續改進實驗方法，使得實驗數據更準確。③討論其他控制方法在機械手中的應用，提高控制的精確性。

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