基于PLC的操作手系统的设计

摘 要：在现代化的工业控制中，通过伺服电机控制的操作手的运用越来越普及，为了能让教学更好的与实际衔接，设计了一种教学用的操作手系统。该设计以伺服电机控制为基础，以PLC为控制核心、传感器为检测元件、气动设备为驱动力，通过编程可以实现对操作手的精确控制进而完成工件的搬运。该系统可以用于独立学科实验，也可用于综合性的课程设计。

关键词：伺服电机;PLC;气动技术

前言

操作手和机械手类似，都是是模仿人手的部分动作，按照给定动作、轨迹实现自动抓取、搬运的自动化控制装置。随着机械手的应用不断普及，在精度、稳定性、安全性更高的要求下，通过PLC控制伺服电机的操作手，在自动化工业的生产加工方面应用越来越广泛。

一、操作手系统的组成

该系统主要针对具有一定专业知识之后的专业课学习，在系统的设计中有气动机械爪手、双杆气缸、旋转台、单杆气缸、磁性开关、稳压电源、伺服电动机、PLC各模块、按钮板、I/O转换端子、电气网孔板、各种电磁阀组成，可以完成将工件从传输线搬运到加工检测单元待料区工位，待加工检测完成后再搬运至传送线。

气动机械手：双向电磁阀控制，抓紧到位时，磁性传感器检测到位并把信号输入PLC，完成抓紧工件的动作。

双导杆气缸：双向电磁阀控制，一个信号控制手臂的伸出，一個信号控制手臂缩回。

回转台：采用伺服电机和蜗轮蜗杆结构控制，运行稳定。

单杆气缸：单向电磁阀控制，电磁阀得电，气缸杆伸出，失电之后，气缸杆缩回。

磁性传感器：检测气缸的伸缩到位情况。气缸伸缩到位之后，磁性传感器把检测到的信号传到PLC的输入端。（磁性开关的蓝线接电源负极，棕线接PLC的输入端口）。

开关电源：为系统提供电源。

I/O转接端子：把PLC的输入输出端口转接到各个传感器和按钮的接线端。

控制按钮板：控制整个系统的启动、调试、停止、复位、单机、联机等。

安装支架：用来安装各个气缸和传感器。

电气网孔板：用来安装PLC各个模块、断路器、继电器、稳压电源、I/O转换端子、扩展端子等。

二、硬件的设计

操作手主要完成工件的搬运功能，系统开始工作后，操作手手臂伸出，检测到位后，下降，检测到位之后执行夹紧，然后抬起缩回，到位之后伺服电机旋转，然后手臂伸出，下降，松开。完成物料的搬运过程，每一个动作的前提都是前一个动作到位检测之后才能执行。其中I1.0到I1.5接控制面板上的点动开关和选择开关，实现整个单元的控制;I0.0到I0.6分别接的是操作手各部位的磁性开关和限位开关，用来检测气缸伸缩和电机旋转到位情况;Q0.2到Q0.6分别接电磁阀，通过控制电磁阀得电失电进而控制气缸伸缩加紧松开;Q1.0、Q1.1分别接的控制开关上的指示灯，起提示操作的作用。I/O分配如表1，外部接线如图1.

磁性开关主要检测气缸伸缩的到位情况，有两条线，棕色的接PLC的输入端口，蓝色的接电源0V，当检测到气缸的伸缩到位后，给PLC一个输入信号。如图2所示。

限位开关有两条接线，棕色的接PLC的输入端，蓝色接电源0V，当操作手或刀具库旋转到位后，触动开关闭合，给PLC一个输入信号。如图3所示。

伺服电机在操作手单元中，控制机械手的旋转，旋转角度和方向主要由编写的程序实现，其与PLC的接线有两端，一端用来控制电机的方向，一端输出控制电机转动的角度。伺服电机与PLC接线如图4所示。脉冲由Q0.0输入，方向通过Q0.1控制。

伺服单元主要由触摸屏、RS485接口、电池、接线端子、接线端子、模拟控制器等组成，这里选取alpha 5 smart系列伺服，并对参数进行设置。

1、电子齿轮比的设定

通过正脉冲/反脉冲控制，PA1-03设置初值为1;通过脉冲数控制电机旋转的角度，所以设为电子齿轮比有效，PA1-05设置初值为0;设置如表2所示。

伺服电机旋转1次为4000脉冲时，PA1_05=4000

直接连接5[mm]的滚珠丝杆，每1脉冲的机械系统移动量为0.001[mm]的情况（18bit）由（5/262144）×（PA1_06/ PA1_07）=1/1000可得知

PA1_05=0

PA1_06=32768

PA1_07=625

2、配合PLC主机，把驱动器设置为脉冲加方向控制模式，1000个输入脉冲电机旋转一周，通过伺服电机控制。驱动设置如表3所示。

气动元件是系统的执行元件，执行的动作都是根据PLC的逻辑控制实现的。气缸使用单电控5/2通电磁阀或双电控5/2通电磁阀进行控制。电磁阀线圈接在PLC对应的输出上，通过控制电磁阀线圈的通电与失电，以此控制气缸的伸和缩。

气动控制回路接线如图5所示，气源通过水分滤气器、压力煲、手滑阀等通过气管连接到电磁阀得气源进口，再通过电磁阀得气动接头连接到各个气缸上面。1Y1、1Y2、2Y1、2Y2、都是是控制气缸的电磁阀，它们分别接入PLC相应的输出口，由PLC控制得电与否。每个气缸的前后极限位置分别安装检测伸缩到位的磁性传感器。

各单元的供气由各单元的过滤减压阀供给，额定的使用气压为600kPa，一般调至0.5MPa即可正常使用。

三、小结

设计了操作手的硬件结构，PLC与传感器，伺服电机灯的外部接线，包括伺服电机的选型及参数的设置一个完整的操作手系统，使用时可以通过单纯的编程练习，使操作手按规定的要求实现搬运动作;也可让学生拆装完成各类综合性设计。

参考文献：

[1] 邢阳阳. 基于PLC的柔性加工系统的设计与实现[D].重庆：重庆邮电大学，2017.

[2] 邢阳阳.基于PLC的机械手搬运系统的设计[J].河北农机. 2019（06）， 72-73.

作者简介：

邢阳阳（1987-），女，汉族，河南，重庆邮电大学移通学院，讲师，硕士，控制工程.