PLC控制气动式机械手系统的设计与开发

机械手和注塑机的配套使用能实现注塑生产智能化，但取模机械手若采用继电器作为控制核心，经常出现系统误操作、失灵、撞坏设备等情形。

为了提高注塑机取件机械手的稳定性，本文利用扩展方便的PLC代替继电器，结合速度快的气缸驱动技术，设计了气压驱动系统和PLC控制系统，对提高工业自动化程度具有积极意

义。

1、机械手的结构和控制要求

在气缸的带动下，手臂终端可在3 个坐标内工作。系统主要是控制双电控电磁阀线圈的通电状态来驱动气动元件，改变气压回路中换向阀的工作位置来使气流按要求流动，向控制系统发送规定的开关信号来控制机械手。整机结构如图1所示。

结合注塑机开模、合模等工作过程，在气缸的驱动下，机械手的控制要求如下:

(1) 选择自动模式时，按下开始开关，待注塑机开模后，电磁阀( 线圈A1) 通电，手臂下降到吸盘和注塑件刚好接触的高度，至下降近接开关动作。

图1 机械手的结构图

(2) 电磁阀( 线圈C1) 通电，在吸盘和带有平面的注塑件之

间产生负压，吸盘吸住注塑件，至吸气近接开关动作［2］。

(3) 电磁阀( 线圈A2) 通电，手臂上升，至上升近接开关动作。

(4) 电磁阀( 线圈B1) 通电，引拔前进，至前进近接开关动作。

(5) 电磁阀( 线圈D1) 通电，手臂和引拔整体旋出，至旋出近接开关动作。

(6) 电磁阀( 线圈A1) 通电，手臂与地面呈一定角度下降，至下降近接开关动作。

(7) 电磁阀( 线圈C2) 通电，注塑件和吸盘之间的气压恢复正常值，吸盘放下注塑件，至放气近接开关动作。
(8) 电磁阀( 线圈A2) 通电，手臂上升，至上升近接开关动作。

(9) 电磁阀( 线圈D2) 通电，手臂和引拔整体旋入，至旋入近接开关动作。

(10 ) 电磁阀( 线圈B2) 通电，引拔后退，至后退近接开关动作。完成一次循环后等待注塑机开模，重复以上过程。

(11) 按下停止按钮或断电，当前步骤中的机械手，在重新启动之前将停止工作。

(12) 能够切换为手动模式，按下对应的开关，机械手根据命令执行相应的动作，也可以根据工艺流程自动运行。

自动控制的动作流程: 注塑机开模，手臂下降→吸盘取物→手臂上升→引拔前进→手臂和引拔旋出→手臂下降→吸盘放物→手臂上升→手臂和引拔旋入→引拔后退，等待注塑机再次开模。

2、气动系统设计

按照机械手的移动轨迹和电磁阀、气缸的工作原理，在气缸驱动过程中，采用4 个双电控电磁阀来掌控3 个气缸和1 个负压发生器。此外，各气路配置了节流阀，可以调节速度。在手动状态下，按下相应的按钮，控制相应气缸和负压发生器的电磁阀上电，在气缸的驱动和吸盘的执行下，机械手开始工作。

把负压发生器与气吸盘串联在一起，当有高压气体通过负压发生器时，气吸盘呈现负压并吸起物品。为了减缓手臂上下运行时机台的晃动，使用上下缓冲气缸做缓冲。气动原理图如图2 所示。

图2 气动原理图

3、机械手控制系统的构成与设计开发

3.1 控制系统的构成

该控制系统由以下模块组成: PLC 控制器、I /O 接线端子、数据传输电缆、按钮开关、近接开关。控制器( PLC) 通过控制执行机构( 电磁阀) 来使驱动模块［3］ (气缸和负压发生器) 按照指令运动，从而导致运动机构( 手臂和吸盘) 的工作，同时接收装在机械手机身上的传感器( 近接开关) 反馈回来的信号，以此监测机械手的运动情况。PLC 控制原理框图如图3 所示。

图3 控制系统原理框图

3.2 确定PLC 的I /O 点个数

通过对PLC 和动作过程进行研究，总结出需将如下信号传输给它: 8 个开关"按钮X"信号，这是控制机械手运动要用到的。8 个近接开关"确认X"信号，分别用来检测机械手的运动状态并反馈给PLC。此外，考虑到控制体系的需求，还要3 个按钮信号依次为: "开始"、"重启"和"位置"，1 个"停止"按钮信号用来结束工作，1个选择运行方式的"自动/手动"旋动开关，1 个"回原点"按钮。

PLC 需要输出如下信号: 控制3 个气缸和1 个负压发生器的4 个双电控电磁阀需要8 个"输出Y"动作信号。3 个用于说明机器"开始"、"重启"和"位置"的工作状况灯。因此采用输入点数目≥22、输出点数目≥11 的PLC。

3.3 PLC 型号的选择

基于以上剖析，选取输入点数目不少于22，输出点数量超过11，由西门子生产的S7 － 300 PLC 及2 个SM323 输入/输出扩展块［3 － 4］。该系统总共有22 个输入点、16 个输出点，48 KB内存， 64 个计数器以及128 个定时器。PLC 和有关信号的系统接线图如图4 所示。

图4 控制系统接线图

3.4 PLC 的程序设计

运用模块化设计，把机械手控制程序分为: 公共程序、手动程序和自动程序。根据动作要求，设计出机械手运行时的程序，整机系统的原始情形通过IST 指令来控制，当达到IST 指令的运行要求时，为初始状态继电器( S0、S1、S2) 和特殊辅助继电器的( M8040、M8041、M8042、M8043) 分配以下功能:

(1) S0，手动模式的zui初状态继电器;

(2) S1，回归初始状态的继电器;

(3) S2，自动模式的zui初状态继电器;

(4) M8040，防止转变，当导通线圈后，保持一切动作不变;

(5) M8041，开始转变，当线圈导通，容许状态由开始发生转变;

(6) M8042，启动脉冲，在按下开始开关的一刹那发挥作用;

(7) M8043，回归到初始状态;

(8) M8044，初始状态前提，当整机位于原点位置时，线圈会导通。

回归原始状态模式: 按下回原点开关X11，使整机处在上升、后退、旋入、吸盘放气状态，相应近接开关导通。

手动模式不必按工序顺序动作，当普通继电器程序来设计。机械手可实现以下8 个动作: "手臂下降"、"吸盘吸气"、"手臂上升"、"引拔前进"、"旋出"、"吸盘放气"、"旋入"、"引拔后退"，分别用与X16、X14、X17、X22、X20、X15、X21、X23 相对应的按钮控制。手动模式的程序如图5 所示。

图5 手动模式程序图

自动模式采用顺序功能图来设计程序，说明动作的顺序和状态变化条件，方框代表"工步"，邻近两"工步"用线段连接，代表变化的方向，横线代表变化的条件。当变化条件允许，则程序由前一"工步"运动到后一"工步"，顺序功能图能转化为梯形图程序。自动模式之前，按下回原点开关X11，使整机在初始位置。按开始开关使X18 导通，状态变为S20。输出信号Y3，线圈A1 通电，上下气缸驱使手臂下行，当靠近下极*下近接开关X4 导通，状态变为S21，S20 自行回到刚才的状态。

流程为先输出相应的信号，对应电磁阀其中一个线圈通电，然后特定气缸发生动作，至近接开关导通，zui后运行状态变化，一直运动到状态S29，自动运行状态转移图如图6 所示。

图6 自动运行状态转移图