基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

靳 宏，左右祥

（1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣州 510925；2.中導(dǎo)光電設(shè)備股份有限公司，廣東 肇慶 526238）

氣動機械手是廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的執(zhí)行機構(gòu)。使用壓縮空氣作為傳輸介質(zhì)，具有反應(yīng)速度快、綠色無污染、低價高效率和穩(wěn)定可靠等特點。氣動機械手在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用[1]。

本設(shè)計中，氣動機械手的控制系統(tǒng)以S7-200 SMART PLC為核心控制器，可以使機械手完成上下、左右、伸縮和抓緊松開等動作，實現(xiàn)對工件物料的搬運。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本設(shè)計中，氣動機械手的結(jié)構(gòu)主要由基座平臺、升降系統(tǒng)、伸縮手臂和氣動手指4部分組成。基座平臺由擺動氣缸和支撐平臺構(gòu)成，主要任務(wù)是支撐和左右轉(zhuǎn)動機械手；由薄型氣缸和提升機構(gòu)構(gòu)成的提升系統(tǒng)，完成在基座上做上下直線運動；由手臂伸縮氣缸構(gòu)成的伸縮手臂完成手臂的前后伸縮運動；由氣動手指及其夾緊機構(gòu)實現(xiàn)零件的夾緊或放松。氣動機械手機械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

圖1 氣動機械手機械結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的核心控制器選用S7-200 SMART 200 ST40 DC/DC/DC PLC，利用磁性開關(guān)檢測氣缸活塞的運動到位情況，用光電開關(guān)作為物料有無的信號檢測。

PLC編程控制電磁換向閥的閥芯位置，進而可改變壓縮空氣的流通方向，氣缸的運動方向也隨之改變。通過氣缸的運動控制，實現(xiàn)機械手的上下、左右、伸縮、抓緊和松開等動作。

氣動系統(tǒng)由空壓機等氣源系統(tǒng)，單電控和雙電控電磁換向閥等氣動控制元件，薄型氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、氣動手指和標準氣缸等作為氣動執(zhí)行元件，以及氣動三聯(lián)件、快速排氣閥等各種氣動輔助元件組成[3]。

2 傳感器設(shè)計選型

2.1 磁性開關(guān)

該設(shè)計所選用的氣動執(zhí)行元件的到位信號傳感器都是磁性開關(guān)。各個氣缸的缸筒選用導(dǎo)磁性弱、隔磁性強的材料，如硬鋁、不銹鋼等。活塞是非磁性體，上面安裝一個永久磁鐵的磁環(huán)。磁性開關(guān)安裝在氣缸外側(cè)，通過監(jiān)測磁環(huán)的磁場來間接檢測氣缸的活塞位置[2]，如圖2所示。

圖2 磁性開關(guān)檢測活塞位置原理示意圖

觸電斷開或閉合的信號發(fā)給PLC，以實現(xiàn)對氣缸位置的監(jiān)測，通過與觸點處于正邏輯關(guān)系的LED的亮滅可以實時觀測觸點或者活塞的位置，方便調(diào)試。磁性開關(guān)傳感器的內(nèi)部電路情況和圖形符號如圖3所示。

圖3 磁性開關(guān)傳感器的內(nèi)部電路情況及圖形符號

2.2 光電開關(guān)

光電傳感器是利用光的各種特性來檢測有無物體、物體表面變化情況等的傳感器。其中輸出信號是開關(guān)量的光電傳感器，稱為光電開關(guān)[4]。

光電開關(guān)由光發(fā)射器和光接收器2部分組成。漫反射式光電開關(guān)的光發(fā)射器與光接收器處于同一側(cè)，且集成一為體。投光部發(fā)射出的光線照射到被測物體上后，反射回來的光線被受光部接收到并使開關(guān)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。漫反射式光電開關(guān)工作原理示意圖如圖4所示。

圖4 漫反射式光電開關(guān)工作原理示意圖

該控制系統(tǒng)中，用來檢測有無工件的光電開關(guān)是一種漫反射式的光電開關(guān)。選用型號為OMRON（歐姆龍）公司的CX-441（E3Z-LS63）。該光電開關(guān)能同時把工件有無信息傳送給PLC，方便進行動作模式調(diào)試和檢測距離調(diào)試。該光電開關(guān)的外觀圖如圖5所示。圖中動作轉(zhuǎn)換開關(guān)是進行動作模式調(diào)節(jié)，靈敏度旋鈕用來調(diào)節(jié)檢測距離。

圖5 E3Z-LS63型光電傳感器

3 系統(tǒng)控制方案設(shè)計

3.1 電氣設(shè)計

氣動機械手控制系統(tǒng)需11個輸入量，9個輸出量，選用了S7-200 SMART系列PLC的SMART 200 ST40 DC/DC/DC。該型號的CPU具有24點輸入和16點晶體管輸出點位，在滿足當前點位需求的同時也方便后續(xù)的擴展使用。

控制系統(tǒng)的I/O控制點位分布見表1，電氣連接圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)電氣連接圖

表1 控制系統(tǒng)的I/O控制點位分布表

CPU的輸入信號，包括來自三線制的物料檢測傳感器BG1，檢測氣缸到位情況的二線制的磁性開關(guān)，以及控制系統(tǒng)運行的復(fù)位按鈕SB1、啟動按鈕SB2和急停按鈕QS。

CPU的輸出信號，有控制抬升機構(gòu)升降和手臂伸縮的單電控電磁閥，控制回轉(zhuǎn)氣缸左右旋轉(zhuǎn)和手爪松緊的雙電控電磁閥，以及顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)的準備就緒指示燈HL1、運行指示燈HL2和停止指示燈HL3。

3.2 程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)工作要求和I/O分配表，進行了程序設(shè)計和編輯。程序先進行系統(tǒng)狀態(tài)自查，滿足啟動條件且啟動按鈕被按下后，系統(tǒng)的運行過程被分成了5步。如圖7所示。

圖7 程序主要步驟

4 系統(tǒng)工作過程測試

完成以上設(shè)計系統(tǒng)的機械和電氣安裝后，下載程序進行系統(tǒng)工作調(diào)試，調(diào)試過程如下。

1）設(shè)備上電和氣源接通后，按下復(fù)位按鈕執(zhí)行復(fù)位操作，使各個氣缸滿足初始位置的要求，復(fù)位完成，就緒指示燈常亮，表示系統(tǒng)準備好。（注：氣缸初始位置是指提升氣缸在上限位，擺動氣缸在右限位，伸縮氣缸在縮回狀態(tài)，氣動手指在松開狀態(tài)。）

2）當系統(tǒng)準備好后，按下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，就緒指示燈滅，啟動燈常亮，開始進入正常工作過程。

3）正常工作動作過程示意圖如圖8所示：①右側(cè)料臺上有料，抓取機械手裝置伸出手臂，基座下降，從供料站出料臺抓取工件；②抓取動作完成后，基座上升，機械手縮回，左轉(zhuǎn)；③到達取料站物料臺的正上方后，基座下降，手臂伸出，手爪松開把工件放到左側(cè)取料站物料臺上；④放下工件動作完成后，機械手手臂縮回，基座上升，擺臺右轉(zhuǎn)；⑤一個工作周期結(jié)束，當供料臺有物料則自動進入下一個工作周期。

圖8 機械手正常工作動作過程示意圖

4）系統(tǒng)停止。若在工作過程中按下急停按鈕，則系統(tǒng)立即停止運行，啟動燈滅，停止燈亮起。再次按下啟動按鈕后系統(tǒng)從停止前的斷點開始繼續(xù)運行。

5 結(jié)束語

采用PLC控制、壓縮空氣驅(qū)動的機械手具有綠色環(huán)保、低價高效、結(jié)構(gòu)簡單且安全穩(wěn)定等特點，能實現(xiàn)把工件從右邊物料臺送往左邊工作臺的自動、周期性運行。物料監(jiān)測開關(guān)和各個氣缸處的到位磁性開關(guān)可實時反饋機械手的運行狀態(tài)給PLC。實驗表明，本設(shè)計中的機械手控制系統(tǒng)能夠按照生產(chǎn)要求平穩(wěn)運行、可靠工作。