基于PLC的气动机械手控制系统设计

2023-03-11左右祥

科技创新与应用 2023年6期

关键词：光电开关机械手磁性

靳宏，左右祥

（1.广东水利电力职业技术学院，广州 510925；2.中导光电设备股份有限公司，广东肇庆 526238）

气动机械手是广泛应用于现代工业生产中的执行机构。使用压缩空气作为传输介质，具有反应速度快、绿色无污染、低价高效率和稳定可靠等特点。气动机械手在工业生产应用中发挥着重要作用[1]。

本设计中，气动机械手的控制系统以S7-200 SMART PLC为核心控制器，可以使机械手完成上下、左右、伸缩和抓紧松开等动作，实现对工件物料的搬运。

1 控制系统的硬件设计

本设计中，气动机械手的结构主要由基座平台、升降系统、伸缩手臂和气动手指4部分组成。基座平台由摆动气缸和支撑平台构成，主要任务是支撑和左右转动机械手；由薄型气缸和提升机构构成的提升系统，完成在基座上做上下直线运动；由手臂伸缩气缸构成的伸缩手臂完成手臂的前后伸缩运动；由气动手指及其夹紧机构实现零件的夹紧或放松。气动机械手机械结构图如图1所示[2]。

图1 气动机械手机械结构图

控制系统的核心控制器选用S7-200 SMART 200 ST40 DC/DC/DC PLC，利用磁性开关检测气缸活塞的运动到位情况，用光电开关作为物料有无的信号检测。

PLC编程控制电磁换向阀的阀芯位置，进而可改变压缩空气的流通方向，气缸的运动方向也随之改变。通过气缸的运动控制，实现机械手的上下、左右、伸缩、抓紧和松开等动作。

气动系统由空压机等气源系统，单电控和双电控电磁换向阀等气动控制元件，薄型气缸、旋转气缸、气动手指和标准气缸等作为气动执行元件，以及气动三联件、快速排气阀等各种气动辅助元件组成[3]。

2 传感器设计选型

2.1 磁性开关

该设计所选用的气动执行元件的到位信号传感器都是磁性开关。各个气缸的缸筒选用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。活塞是非磁性体，上面安装一个永久磁铁的磁环。磁性开关安装在气缸外侧，通过监测磁环的磁场来间接检测气缸的活塞位置[2]，如图2所示。

图2 磁性开关检测活塞位置原理示意图

触电断开或闭合的信号发给PLC，以实现对气缸位置的监测，通过与触点处于正逻辑关系的LED的亮灭可以实时观测触点或者活塞的位置，方便调试。磁性开关传感器的内部电路情况和图形符号如图3所示。

图3 磁性开关传感器的内部电路情况及图形符号

2.2 光电开关

光电传感器是利用光的各种特性来检测有无物体、物体表面变化情况等的传感器。其中输出信号是开关量的光电传感器，称为光电开关[4]。

光电开关由光发射器和光接收器2部分组成。漫反射式光电开关的光发射器与光接收器处于同一侧，且集成一为体。投光部发射出的光线照射到被测物体上后，反射回来的光线被受光部接收到并使开关状态翻转。漫反射式光电开关工作原理示意图如图4所示。

图4 漫反射式光电开关工作原理示意图

该控制系统中，用来检测有无工件的光电开关是一种漫反射式的光电开关。选用型号为OMRON（欧姆龙）公司的CX-441（E3Z-LS63）。该光电开关能同时把工件有无信息传送给PLC，方便进行动作模式调试和检测距离调试。该光电开关的外观图如图5所示。图中动作转换开关是进行动作模式调节，灵敏度旋钮用来调节检测距离。

图5 E3Z-LS63型光电传感器

3 系统控制方案设计

3.1 电气设计

气动机械手控制系统需11个输入量，9个输出量，选用了S7-200 SMART系列PLC的SMART 200 ST40 DC/DC/DC。该型号的CPU具有24点输入和16点晶体管输出点位，在满足当前点位需求的同时也方便后续的扩展使用。

控制系统的I/O控制点位分布见表1，电气连接图如图6所示。

图6 控制系统电气连接图

表1 控制系统的I/O控制点位分布表

CPU的输入信号，包括来自三线制的物料检测传感器BG1，检测气缸到位情况的二线制的磁性开关，以及控制系统运行的复位按钮SB1、启动按钮SB2和急停按钮QS。

CPU的输出信号，有控制抬升机构升降和手臂伸缩的单电控电磁阀，控制回转气缸左右旋转和手爪松紧的双电控电磁阀，以及显示系统运行状态的准备就绪指示灯HL1、运行指示灯HL2和停止指示灯HL3。

3.2 程序设计

根据系统工作要求和I/O分配表，进行了程序设计和编辑。程序先进行系统状态自查，满足启动条件且启动按钮被按下后，系统的运行过程被分成了5步。如图7所示。

图7 程序主要步骤

4 系统工作过程测试

完成以上设计系统的机械和电气安装后，下载程序进行系统工作调试，调试过程如下。

1）设备上电和气源接通后，按下复位按钮执行复位操作，使各个气缸满足初始位置的要求，复位完成，就绪指示灯常亮，表示系统准备好。（注：气缸初始位置是指提升气缸在上限位，摆动气缸在右限位，伸缩气缸在缩回状态，气动手指在松开状态。）

2）当系统准备好后，按下启动按钮，系统启动，就绪指示灯灭，启动灯常亮，开始进入正常工作过程。

3）正常工作动作过程示意图如图8所示：①右侧料台上有料，抓取机械手装置伸出手臂，基座下降，从供料站出料台抓取工件；②抓取动作完成后，基座上升，机械手缩回，左转；③到达取料站物料台的正上方后，基座下降，手臂伸出，手爪松开把工件放到左侧取料站物料台上；④放下工件动作完成后，机械手手臂缩回，基座上升，摆台右转；⑤一个工作周期结束，当供料台有物料则自动进入下一个工作周期。