PLC物料自动上下料机械手控制系统的设计

摘 要：本文从物料检测机实际工作要求出发，设计了一种采用机械手的自动上下料电路控制系统，该系统利用西门子S7-PLC作为控制器，能够服务于为物料检测的装置，做到了物料自动上下料作业，这样不仅可代替人工按照指定的工序进行上下料，还可以提高企业生产线的效率，并为后期的设备改进提供理论依据，具有较高的工程意义。

关键词：物料；上下料，机械手；PLC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.110

1 上下料机械手简述

上下料机械手主要实现机床制造过程的完全自动化，并采用了集成加工技术，适用于生产线的上下料、工件翻转、工件转序等。在国内的机械加工， 现今很多都是使用专机或人工进行机床上下料的方式， 这在产品比较单一、产能不高的情况下是非常适合的， 但是随着社会的进步和发展， 科技的日益进步， 产品更新换代加快， 使用专机或人工进行机床上下料就暴露出了很多的不足和弱点， 一方面专机占地面积大结构复杂、维修不便， 不利于自动化流水线的生产；另一方面， 它的柔性不够， 难以适应日益加快的变化，不利于产品结构的调整；其次， 使用人工会造成劳动强度的增加， 容易产生工伤事故， 效率也比较低下， 且使用人工上下料的产品质量的稳定性不够， 不能满足大批量生产的需求。

使用上下料机械手自动柔性搬运系统就可以解决以上问题， 该系统具有很高的效率和产品质量稳定性， 柔性较高且可靠性高， 结构简单更易于维护， 可以满足不同种类产品的生产， 可以很快进行产品结构的调整和扩大产能， 并且可以大大降低产业工人的劳动强度。

机械手组成部分有：立柱、横梁（X轴）、竖梁（Z轴）、控制系统、上下料系统、手爪系统等。控制系统通过传感器所检测出来的信号，传送到PLC控制中心，经PLC程序的精准运算，产生控制信号，控制驱动装置，手爪装置至目标位置抓取物料，并将其送到指定位置。手爪系统是完成上、下料工作的主要运动部件，目前应用于上下料机械手的抓取模式一般有：机械结构式抓取、电磁式吸取、气动式吸取三种。

2 控制系统的硬件设计

2.1 控制任务要求

机械手从初始位置出发，PLC在通过传感器获得物料的位置信号后，驱动 X-Y轴的电机带动末端手爪运行到 X-Y 正交平面的目标吸取位置；控制上下气缸的电磁阀线圈通电，上下气缸下移；滑台气缸运动到目标位置时，电磁式吸头自动将物料吸取，吸取成功后，电磁阀失电，滑台气缸上移；PLC通过传感器获得上移到位信号后，驱动 X-Y轴的电机带动手爪运动到目标放置位置；控制上下气缸的电磁阀得电，滑台气缸下移；滑台气缸运动到目标位置时，电磁阀控制小气缸往电磁式吸头喷气并将物料放入指定位置，完成放置动作；若无故障，在完成一次吸取、放置动作后，机械手将自动循环运行。而抓取、放置过程中任何环节出现故障都会使该机械手停机检查，避免出现事故发生。

2.2 PLC的选型

本控制电路的开关电源为 24V，输入端总点数为21个，输出端总点数为12个，即输入输出总点数为33，考虑到选用的PLC输入输出点数应该留有10%以上的冗余，以及综合考虑成本与性能，所以本控制系统选用西门子s7-200CPU226作为本系统的PLC。

2.3 伺服电机控制电路设计

本机械手伺服电机采用的是双脉冲控制的方式。

CW-：输出正脉冲方向， CCW-：输出负脉冲方向； CW+：直接连接脉冲接收端与电源正极，控制对应接收端的负极，CCW+同理，也是如此。伺服接线具体如图1所示：

3 控制系统软件设计

3.1 plc输入输出端口分配

I0.0：X零信号；I0.1：Y零信号；I0.2：撞击检测；I0.3：X前限；I0.4：X后限；I0.5：X到位；I0.6：X报警；I0.7：Y前限；I1.0：Y后限；I1.1：Y到位；I1.2：Y报警；I1.3：大气缸前限；I1.4：小气缸前限；I1.5：大气缸后限；I1.6：小气缸后限；I1.7：Z气缸上限；I2.0：启动1；I2.1：启动2；I2.2：急停；Q0.1：XCCW； Q0.2：XCW； Q0.3：YCW； Q0.4：YCCW； Q0.5：Z气缸； Q0.6：料缸1； Q0.7：料缸2； Q1.0：蜂鸣器； Q1.1：三色红； Q1.2：三色绿； Q1.3：三色黄；Q1.4：气夹。

3.2 PLC程序设计

在机械手开机瞬间，机床主轴回到原点，机床复位；复位完成后，启动主程序，自动循环程序，当系统无故障时，操作人员依照要求按下双手启动按钮，机械手按照预先編写的程序完成搬运工作；自动循环；在机械手系统出现故障或安装调试过程中，使用手动控制程序将系统恢复到正常运行状态；当机械手在工作过程中出现各类故障时通过保护程序实现对机械手和操作人员的保护。

3.3 触摸屏界面设计

人机用户界面主要由起始点位置界面、复位界面、自动运行界面、手动运行界面等组成。复位界面实现对机械手的主轴和手爪进行复位重置。自动运行界面是在机械手进行自动上、下料过程中，对当前工作模式的监测，并对机械手的产量进行统计。手动运行界面的手动按钮则是完成对机械手在 X-Y 正交平面的往复运动、精密滑台气缸在 Z 方向的升降动作及手爪小气缸的气压输出动作。

4 结束语

本文根据工厂需要为物料检测机配备自动上下料系统的要求，对机械手电控系统进行了设计。该系统基于西门子PLC 控制，能够服务于为物料检测装置，实现自动上下料作业。运行调试后，安全可靠，达到了设计要求。

参考文献：

[1]方灵峰.电芯自动上下料机械手系统的研发[D].浙江理工大学[硕士论文].2016-12-01 9.

[2]赵锦荣.拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究[D]. 苏州大学，2012.

作者简介： 任琪（1975-），女，湖南衡阳人，硕士，副教授，研究方向： 自动控制理论，PLC技术。