PLC机械手取料系统设计及应用

2018-08-26左国

机械管理开发 2018年8期

关键词：点位机械手触摸屏

左国

（同煤集团化工厂，山西大同 037001）

引言

随着中国制造2025的提出，中国的工业自动化程度向前迈出了一大步。越来越多的工厂开始解放工人的双手，进而以机械手来取代。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统等组成，主要可完成移动、旋转、抓取等动作[1-3]。

采用PLC控制机械手来实现各种预定的动作，不仅可以减轻工人的劳动强度、提高生产效率，而且可以有效提高产品的一致性。本文通过机械手设计实例，介绍气动技术与PLC控制相结合，进而实现机电一体化的过程。

1 机械手结构及工作流程

整个机械手取料系统主要由左右气缸、上下气缸和夹紧气缸组成。左右气缸和上下气缸均为双作用气缸，安装有2个到位开关传感器；夹紧气缸为单作用气缸，安装1个到位开关传感器。到位开关传感器的作用为判断气缸是否到达预定位置，以使机械手取料系统更加安全可靠，如图1所示。

机械手系统的具体工作流程为：机械手的初始位置为左右气缸处于缩回状态，上下气缸也处于缩回状态，夹紧气缸处于松开位置；当按下启动按钮时，上下气缸伸出，夹紧气缸到达位置A，夹紧气缸夹取工件，上下气缸收缩，然后左右气缸伸出，上下气缸伸出，夹紧气缸夹着工件到达位置B，夹紧气缸松开工件，上下气缸缩回，随后左右气缸缩回，回到初始位置。至此，机械手系统完成一个取料周期。其工作流程如图2所示。

2 系统气压传动工作原理

根据机械手的功能，设计系统的气压传动原理如图3所示，其中控制左右气缸和上下气缸的电磁阀采用两位五通电磁阀，夹紧气缸采用两位三通电磁阀。气源采用普通空压机气源，气源处理原件选用调压过滤器，以去除压力空气中的水分，调节压力范围为 0.5～0.7MPa。

图1 机械手结构示意图

图2 系统工作流程示意图

图3 气压传动系统原理图

3 控制系统设计

3.1 控制系统硬件设计

整个系统主要由气缸、电磁阀、传感器、PLC和触摸屏组成，系统结构如下页图4所示。

根据前文设计，系统一共有5个到位传感器，因此PLC的输入点数应为5个传感器点位加2个工作台有无物料的光电传感器点位和启动、停止、急停和复位按钮点位，共计11个输入点位；PLC输出点数应为3个气缸电磁阀输出点位加启动、停止、急停、以及A、B两位置物料指示灯的输出点位，共计8个点位；另外需要预留部分输入输出点位以供系统后期扩展。由此可知，西门子S7-200系列的PLC即可满足系统控制要求[4]。

整个系统设计两个通信接口，其中一个与PC机相连，负责程序的编写与下载，另一个与触摸屏相连。在目前的工业设备中，触摸屏具有参数设置、设备监控与控制、设备报警等功能，使用十分方便。

图4 系统结构示意图

3.2 PLC程序编写

程序编写设计主要包括手动程序设计，停止、急停、复位、报警等程序设计和自动运行程序设计[5]。

1）为满足设备的调试、维护等需求，要求系统可以对各个气缸进行单步控制，相应的手动控制按钮可以设置在触摸屏界面上。

2）为满足设备的正常安全运行，需要设置有停止、急停、故障报警等功能。当按下停止按钮时，系统会在当前周期结束后停止到零点。当按下急停按钮时，系统立即停止所有动作。当系统运行过程中出现故障时，立即停止所有动作，并给出报警信号。

3）系统自动运行程序设计，即按下启动按钮后，系统按照预定要求进行物料的抓取、搬运与放置等操作，其程序流程如图5所示。

3.3 PLC触摸屏设计

PLC的触摸屏设计主要包括系统欢迎界面、参数设置界面、手动控制界面和自动控制界面等。欢迎界面主要为开机欢迎界面和待机界面；参数设置界面主要用于设置机械手运行的关键参数，如节拍、运行速度等；手动控制界面设置有左右气缸伸缩、上下气缸伸缩、气爪夹紧松开等按钮，通过PLC的辅助继电器控制各气缸电磁阀动作。此外，界面中还包括一些辅助控制按钮，如复位、停止等。

本设计中选择昆仑通态（MCGS）触摸屏作为监控设备，通过触摸屏内部软件制作系统的控制界面、操作按钮等，然后建立触摸屏与PLC的对应接口关系，具体关系如表1所示。

图5 自动运行程序流程图

表1 触摸屏与PLC对应接口关系表

4 系统调试

系统设计安装完成之后首先需要进行调试，调试分为手动调试和自动调试。调试之前需要先检查气路、电路是否连接正确可靠，若硬件连接没问题，则接下来开始手动调试。

首先夹紧气缸张开，左右气缸缩回，上下气缸伸出，看气抓是否到达预定的A位置，若有偏差则调整工作台A与机械手系统的相对位置；调整完毕后使夹紧气缸保持张开，左右气缸伸出，上下气缸伸出，按同样的方法调整B位置。A、B位置调整完成，按照工作流程进行单步操作，将物料从位置A拿放到位置B，对执行过程中出现的问题进行合适的调整。

手动调试完成之后，进行自动调试。即将开关置到自动挡，使机械手系统自动运行。分别在A、B两个位置随机组合的放置或不放物料，按下启动按钮看系统是否按照预定程序进行动作，若和预定程序不同则进行修改完善，直至系统正常运行。