一种基于PLC控制的机械手液压系统设计

叶青青

（天门职业学院，湖北天门，431700）

1 设计需求

机械手是一种能够自动抓取和搬运的机械装置，可根据具体工艺要求完成各类复杂动作。机械手可基本代替人工操作，不仅能够减少人工成本，还可提升工业生产效率，从而加快制造业自动化进程。随着现代技术的飞速发展，机械手在制造业中的作用日渐显著，已成为制造业的重要构成[1]。但在具体应用中，普通机械手缺少自动调节与传感器反馈能力，难以检测外部环境或工作位置的改变情况，易使机械手出现损坏情况[2]。此外，在工业生产中通常使用气动机械手，因气压传动输出功率较小，导致气动机械手仅能在输出负载小的工作中使用。鉴于这些问题，拟设计一种基于PLC控制的机械手液压系统，该系统既可抓取、搬运并放下物体，且输出功率大，能够代替人工劳动，实现生产自动化的目标。通过系统的设计、仿真分析以及测试可知，该系统能够基本实现自动抓取、搬运以及运行稳定等要求，具有显著的应用价值。

2 系统整体架构设计

本系统可控制机械手进行上升、前伸、抓取、回转、下降、松开、复位等操作，系统整体包括液压控制系统、电气控制回路、软件、各类传感器等，本设计采用多个软件与传感器对机械手在运行中的位置进行监控，具体如图1所示。

图1 机械A手液压系统架构

3 控制系统设计

本系统机械手采用液压驱动，通过液压缸完成机械手臂的收缩、抓取、升降等操作，具体工作形式如图2所示。根据工作要求，机械部分由手臂的升降、伸缩、回转等模块组成，各模块均由液压缸来驱动控制。机械手的动作循环过程为：上升→前伸→抓取→回转→下降→松开→复位→停止。在机械手液压系统中，液压缸的组成包括：回转—单叶片摆动缸；升降—单缸液压缸[3]；伸缩—单缸活塞液压缸；抓取—无杆活塞缸。液压系统整体设计过程会涉及诸多液压元件，例如单向阀、控制阀、传感器、开关等。

图2 机械手液压控制系统

■3.1 控制核心选择与输入/输出分配

机械手液压系统控制核心为PLC，本设计选择S7-300，并结合设计实际情况对输入/输出接口进行分配，具体如表1所示。

表1 输入/输出接口分配

■3.2 外部接线

根据S7-300的输入/输出接口分配情况及现实工作实际，设计出具体的S7-300外部接线图，如图3所示。

图3 S7—300外部接线图

■3.3 运动顺序

（2）前伸。机械手的前伸由三位四通电磁阀控制，当3YA得电后，三位四通电磁阀右位工作，液压缸右移动，使机械手做前伸动作。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源→单向阀→右位电磁阀→液压缸左腔→液压缸右移；回油路流程表示为：液压缸右腔→调速阀→右位电磁阀→油箱[5]。当1YA得电后，二位四通电磁阀右位工作，完成机械手的松开动作，油路连接包括进油路与回油路：进油路流程表示为：液压源→单向阀→右位电磁阀→液压缸左腔→液压缸下移；回油路流程表示为：液压缸下腔→右位电磁阀→油箱。

表2 机械手动作顺序

■3.4 工作流程

（5）松开后复位。当1YA失电后，活塞向下移动，使机械手做松开动作。此时，当6YA得电后，三位四通电磁阀右位工作，机械手开始回转[6]。机械手复位动作由三位四通电磁阀控制，当2YA得电后，三位四通电磁阀左位工作，液压缸向左移动，从而让机械手缩回。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源→左位电磁阀→调速阀→液压缸右腔→液压缸左移；回油路流程表示为：液压缸左腔→左位电磁阀→油箱。此时，当6YA得电后，机械手依然处于回转状态，当6YA失电后，三位四通电磁阀左位工作，马达顺时针运转，进而完成反转动作。

为了确保机械手能够按照设计动作进行操作，控制液压缸的电磁阀应根据特定顺序依次完成动作，分析机械手的动作过程可得到其动作顺序，具体如表2所示。

保护区建设要从流域的整体性和系统性出发，充分论证生境和物种保护必要性。目前，已在长江流域分批建设了众多的水产种质资源保护区和湿地保护区，一些保护区的保护目标和对象针对性不强，或涉及范围过大，效果不明显。一旦列为保护区范围，任何涉水的社会经济活动都将受到严格限制。因此，需开展现有保护区的保护需求与效果的科学评估，以促进重要保护区的保护管理，确保其发挥作用，并有必要调整、清退一些作用不大的保护区。

根据机械手动作顺序进行电气回路设计，具体如图4所示。在机械手液压系统中，电气控制主要通过开关、继电器、电磁铁、传感器进行调节。（1）上升：按下T1，K1得电且常开触点闭合，处于初始位置的S1被按下，5YA得电，使机械手进行上升；（2）前伸：当机械手上升到一定高度时会触碰S4，1YA与3YA得电，此时K2也会得电且常闭触点断开，导致5YA失电，由此完成机械手的前伸与松开动作；（3）抓取后回转：当机械手前伸到一定位置时会触碰S2，K3、K4得电且常闭触点断开，使1YA与3YA失电，从而让机械手抓紧工件[7]。当K4常开触点闭合、B2感应到机械手抓紧工件时，K5得电且常开触点闭合，6YA与K6得电，由此让机械手进行回转；（4）下降。当K6常开触点闭合后，4YA得电，机械手做下降动作；（5）松开后复位：当机械手降至一定位置后会触碰S3，此时K7得电且常闭触点断开，分别使4YA与K3失电，使1YA二次得电，机械手做松开动作。当K7常开触点闭合、B1感应到机械手松开工件时，K8得电且常开触点闭合，2YA与K9得电，K9常闭触点断开，使1YA失电，由此完成机械手复位动作。

当工件被输送带传送过来后，限位开关闭合控制工件到位，机械手从原点开始下降，当降至最低时会触碰下限位开关，下降停止并接通夹紧电磁阀夹紧工作[8]。上升电磁阀通电后机械手开始上升，至一定高度后会触碰上限位开关，此时上升停止并向右移动，当触碰右限位开关后下降，触碰下限位开关，此时下降电磁阀与夹紧电磁阀断电，机械手松开工件后开始上升，当触碰到上限位开关后左移，当移动至原点后触碰左限位开关，左移电磁阀断电后复位。至此，机械手搬运工件的过程便结束。机械手完成这些动作是通过液压系统进行驱动，先采用S7-300控制电磁阀，并用电磁阀所控的液压系统驱动机械手运动，系统软件设计流程如图5所示。

（1）上升。机械手上升动作由三位四通电磁阀控制，当5YA得电之后，三位四通电磁阀右位工作，液压缸开始上升，从而让机械手上升[4]。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源→单向阀→右位电磁阀→调速阀→液压缸下腔；回油路流程表示为：液压缸上腔→调速阀→右位电磁阀→油箱。因液压缸上升速度受调速阀所控，所以其运动比较平稳。

4 电气回路设计

（4）下降。机械手下降动作由三位四通电磁阀控制，4YA得电之后，三位四通电磁阀左位工作，6YA同时得电，液压缸向下移动，从而让机械手下降。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源→单向阀→左位电磁阀→液压缸上腔→下降；回油路流程表示为：液压缸下腔→顺序阀→左位电磁阀→油箱。

（3）抓取后回转。当1YA失电后，活塞向上移动，使机械手做抓取动作。机械手回转动作由三位四通电磁阀控制，6YA得电之后，三位四通电磁阀右位工作，马达逆时针运转，从而让机械手回转。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源→单向阀→右位电磁阀→马达左腔→回转；回油路流程表示为：右位马达→右位电磁阀→油箱。

病房里传来楼兰的声音，是西双来了么？声音跳跃着，仿佛有了闪烁和微笑的表情。老人和西双走进去，老人说西双借给我们三万块钱。楼兰就愣住了。她看着西双，两滴眼泪突然涌出，却挂在眼角，挣扎着不肯落下。她把眼泪蹭上被子，又轻轻揭开被角，伸出惨白纤细的手。她的指尖颤抖着，她说西双，我能握握你的手吗？

图4 机械手液压系统电气回路

5 软件设计

健身性：在裕固族传统体育项目中不乏此类项目，例如：顶杆子、拉爬牛等都对身体素质有着严格的要求；摔跤、拔腰等对人的思维同样有积极地作用，这是一种智慧的体现，并不是意味的蛮力。在各民族中，人们在漫长的社会生产劳动实践中逐步产生、发展各具特色的锻炼手段。

图5 软件设计流程

6 系统仿真

根据运转要求在ADI LTspice上绘制机械手液压回路与电气回路，并对其进行系统仿真。结果表明，本系统能够满足机械手的运转要求，并按照运转顺序进行连续动作。在此仅以机械手回转为例来对仿真过程进行验证，具体如图6所示。当按下T1时，K1得电且常开触点开始闭合，同时触碰S1，5YA得电，电磁阀右位工作，液压缸向前移动，机械手上升。当机械手上升到一定程度时，按下S4，此时1YA、3YA得电，电磁阀右位工作，液压缸下降，机械手松开。同时，K2得电且常闭触点断开，此时5YA断开，电磁阀常态化工作。当机械手前伸触碰S2，使K3、K4得电。K3、K4常闭触点断开，使1YA与3YA失电，电磁阀常态化工作，液压缸向上移动，机械手抓紧。当K4常开触点闭合、B2感应到机械手抓紧工件时，K5得电且常开触点闭合，使6YA得电，电磁阀右位工作。当液压缸伸出后即可实现机械手的回转。

就每一螺旋的具体呈现方式而言，多个版本“平行四边形概念”在第三学段的引入素材与第二学段在生活范围上差异不大，有些版本在不同学段引入素材的选取中存在重复现象（如使用了名称相同的素材），值得商榷．对于“性质1”的发现，人教版在第二和第三学段的编写所体现的思维要求无明显差异，在八下经由对具体平行四边形图形的观察和度量发现性质，就初中生而言，思维水平要求偏低．冀教版在第一和第二学段均有“平行四边形性质1的发现”，但第一学段就编写“平行四边形的对边相等”，超出了“直观水平”的要求，与学生的实际认知水平可能存在差异．

图6 机械手液压系统仿真

7 系统测试

在ADI LTspice上根据仿真图与元件明细选择并安装元件，根据进油路与回油路对其连接，连接时务必要仔细，不可出现漏接或错接的问题。同时，根据PLC控制图做好电路连接，完成回路组装，在确定连接无误后运行系统并开始进行测试。测试结果表明，本系统能够在ADI LTspice上模拟动作过程，实现了机械手臂上升、前伸、抓取、回转、下降、松开、复位等多个动作流程，并可循环进行工作，基本实现了设计的目的与要求。与传统驱动相比，本系统控制具有传递功率高，传动平稳性强等优势。

11月12日，中国海洋石油集团有限公司对外宣布，我国首个深水自营大气田——陵水17-2气田正式进入实质性开发建设阶段，建成投产后将供气给香港、广东及海南。陵水17-2气田位于南海琼东南盆地深水区的陵水凹陷，平均作业水深1500米，项目总投资额超过200亿元，储量规模超过1000亿立方米，于2014年由我国自主设计和建造的第一座深水钻井平台——“海洋石油981”勘探发现。该气田最快有望于“十三五”末期投产，每年生产30亿～35亿立方米天然气。

8 结语

综上所述，液压机械手目前已被广泛应用于制造业领域。对机械手液压系统进行设计，讨论液压机械手要实现的功能，并对机械手臂伸缩、升降、夹紧、回转等动作进行分析。系统测试后进行分析可得出：（1）本系统采用电磁阀转向，与PLC控制结合，具有操作便捷及自动化程度高等特点；（2）本系统通过单杆液压缸驱动机械手运动，由单向阀控制其速度，同时通过回油路节流调速，运动较为稳定；（3）本系统通过立式液压缸控制机械手臂升降，为支撑部件自重，回路由采用平衡回路，能够避免机械手速度过快或失控下滑；（4）为了使抓取工件后不受波动影响，并且为了能够保证抓紧工件，回路采用失电抓取来控制，这样能够提供更为安全可靠的工作状态。本系统应用多样化，可将其应用到各行业的工件、物料搬运或堆垛作业，例如冶金、建材、机械制造等。