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PLC控制氣動(dòng)式機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

更新時(shí)間:2017-08-31      點(diǎn)擊次數(shù):4736

機(jī)械手和注塑機(jī)的配套使用能實(shí)現(xiàn)注塑生產(chǎn)智能化,但取模機(jī)械手若采用繼電器作為控制核心,經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)誤操作、失靈、撞壞設(shè)備等情形。

為了提高注塑機(jī)取件機(jī)械手的穩(wěn)定性,本文利用擴(kuò)展方便的PLC代替繼電器,結(jié)合速度快的氣缸驅(qū)動(dòng)技術(shù),設(shè)計(jì)了氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng),對(duì)提高工業(yè)自動(dòng)化程度具有積極意

義。

1、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制要求

在氣缸的帶動(dòng)下,手臂終端可在3 個(gè)坐標(biāo)內(nèi)工作。系統(tǒng)主要是控制雙電控電磁閥線圈的通電狀態(tài)來驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)元件,改變氣壓回路中換向閥的工作位置來使氣流按要求流動(dòng),向控制系統(tǒng)發(fā)送規(guī)定的開關(guān)信號(hào)來控制機(jī)械手。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)合注塑機(jī)開模、合模等工作過程,在氣缸的驅(qū)動(dòng)下,機(jī)械手的控制要求如下:

(1) 選擇自動(dòng)模式時(shí),按下開始開關(guān),待注塑機(jī)開模后,電磁閥( 線圈A1) 通電,手臂下降到吸盤和注塑件剛好接觸的高度,至下降近接開關(guān)動(dòng)作。

圖1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖

(2) 電磁閥( 線圈C1) 通電,在吸盤和帶有平面的注塑件之

間產(chǎn)生負(fù)壓,吸盤吸住注塑件,至吸氣近接開關(guān)動(dòng)作[2]。

(3) 電磁閥( 線圈A2) 通電,手臂上升,至上升近接開關(guān)動(dòng)作。

(4) 電磁閥( 線圈B1) 通電,引拔前進(jìn),至前進(jìn)近接開關(guān)動(dòng)作。

(5) 電磁閥( 線圈D1) 通電,手臂和引拔整體旋出,至旋出近接開關(guān)動(dòng)作。

(6) 電磁閥( 線圈A1) 通電,手臂與地面呈一定角度下降,至下降近接開關(guān)動(dòng)作。

(7) 電磁閥( 線圈C2) 通電,注塑件和吸盤之間的氣壓恢復(fù)正常值,吸盤放下注塑件,至放氣近接開關(guān)動(dòng)作。
(8) 電磁閥( 線圈A2) 通電,手臂上升,至上升近接開關(guān)動(dòng)作。

(9) 電磁閥( 線圈D2) 通電,手臂和引拔整體旋入,至旋入近接開關(guān)動(dòng)作。

(10 ) 電磁閥( 線圈B2) 通電,引拔后退,至后退近接開關(guān)動(dòng)作。完成一次循環(huán)后等待注塑機(jī)開模,重復(fù)以上過程。

(11) 按下停止按鈕或斷電,當(dāng)前步驟中的機(jī)械手,在重新啟動(dòng)之前將停止工作。

(12) 能夠切換為手動(dòng)模式,按下對(duì)應(yīng)的開關(guān),機(jī)械手根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作,也可以根據(jù)工藝流程自動(dòng)運(yùn)行。

自動(dòng)控制的動(dòng)作流程: 注塑機(jī)開模,手臂下降→吸盤取物→手臂上升→引拔前進(jìn)→手臂和引拔旋出→手臂下降→吸盤放物→手臂上升→手臂和引拔旋入→引拔后退,等待注塑機(jī)再次開模。

2、氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照機(jī)械手的移動(dòng)軌跡和電磁閥、氣缸的工作原理,在氣缸驅(qū)動(dòng)過程中,采用4 個(gè)雙電控電磁閥來掌控3 個(gè)氣缸和1 個(gè)負(fù)壓發(fā)生器。此外,各氣路配置了節(jié)流閥,可以調(diào)節(jié)速度。在手動(dòng)狀態(tài)下,按下相應(yīng)的按鈕,控制相應(yīng)氣缸和負(fù)壓發(fā)生器的電磁閥上電,在氣缸的驅(qū)動(dòng)和吸盤的執(zhí)行下,機(jī)械手開始工作。

把負(fù)壓發(fā)生器與氣吸盤串聯(lián)在一起,當(dāng)有高壓氣體通過負(fù)壓發(fā)生器時(shí),氣吸盤呈現(xiàn)負(fù)壓并吸起物品。為了減緩手臂上下運(yùn)行時(shí)機(jī)臺(tái)的晃動(dòng),使用上下緩沖氣缸做緩沖。氣動(dòng)原理圖如圖2 所示。

圖2 氣動(dòng)原理圖

3、機(jī)械手控制系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)開發(fā)

3.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

該控制系統(tǒng)由以下模塊組成: PLC 控制器、I /O 接線端子、數(shù)據(jù)傳輸電纜、按鈕開關(guān)、近接開關(guān)??刂破? PLC) 通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)( 電磁閥) 來使驅(qū)動(dòng)模塊[3] (氣缸和負(fù)壓發(fā)生器) 按照指令運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)( 手臂和吸盤) 的工作,同時(shí)接收裝在機(jī)械手機(jī)身上的傳感器( 近接開關(guān)) 反饋回來的信號(hào),以此監(jiān)測(cè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況。PLC 控制原理框圖如圖3 所示。


圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

3.2 確定PLC 的I /O 點(diǎn)個(gè)數(shù)

通過對(duì)PLC 和動(dòng)作過程進(jìn)行研究,總結(jié)出需將如下信號(hào)傳輸給它: 8 個(gè)開關(guān)"按鈕X"信號(hào),這是控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)要用到的。8 個(gè)近接開關(guān)"確認(rèn)X"信號(hào),分別用來檢測(cè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并反饋給PLC。此外,考慮到控制體系的需求,還要3 個(gè)按鈕信號(hào)依次為: "開始"、"重啟"和"位置",1 個(gè)"停止"按鈕信號(hào)用來結(jié)束工作,1個(gè)選擇運(yùn)行方式的"自動(dòng)/手動(dòng)"旋動(dòng)開關(guān),1 個(gè)"回原點(diǎn)"按鈕。

PLC 需要輸出如下信號(hào): 控制3 個(gè)氣缸和1 個(gè)負(fù)壓發(fā)生器的4 個(gè)雙電控電磁閥需要8 個(gè)"輸出Y"動(dòng)作信號(hào)。3 個(gè)用于說明機(jī)器"開始"、"重啟"和"位置"的工作狀況燈。因此采用輸入點(diǎn)數(shù)目≥22、輸出點(diǎn)數(shù)目≥11 的PLC。

3.3 PLC 型號(hào)的選擇

基于以上剖析,選取輸入點(diǎn)數(shù)目不少于22,輸出點(diǎn)數(shù)量超過11,由西門子生產(chǎn)的S7 - 300 PLC 及2 個(gè)SM323 輸入/輸出擴(kuò)展塊[3 - 4]。該系統(tǒng)總共有22 個(gè)輸入點(diǎn)、16 個(gè)輸出點(diǎn),48 KB內(nèi)存, 64 個(gè)計(jì)數(shù)器以及128 個(gè)定時(shí)器。PLC 和有關(guān)信號(hào)的系統(tǒng)接線圖如圖4 所示。


圖4 控制系統(tǒng)接線圖

3.4 PLC 的程序設(shè)計(jì)

運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì),把機(jī)械手控制程序分為: 公共程序、手動(dòng)程序和自動(dòng)程序。根據(jù)動(dòng)作要求,設(shè)計(jì)出機(jī)械手運(yùn)行時(shí)的程序,整機(jī)系統(tǒng)的原始情形通過IST 指令來控制,當(dāng)達(dá)到IST 指令的運(yùn)行要求時(shí),為初始狀態(tài)繼電器( S0、S1、S2) 和特殊輔助繼電器的( M8040、M8041、M8042、M8043) 分配以下功能:

(1) S0,手動(dòng)模式的zui初狀態(tài)繼電器;

(2) S1,回歸初始狀態(tài)的繼電器;

(3) S2,自動(dòng)模式的zui初狀態(tài)繼電器;

(4) M8040,防止轉(zhuǎn)變,當(dāng)導(dǎo)通線圈后,保持一切動(dòng)作不變;

(5) M8041,開始轉(zhuǎn)變,當(dāng)線圈導(dǎo)通,容許狀態(tài)由開始發(fā)生轉(zhuǎn)變;

(6) M8042,啟動(dòng)脈沖,在按下開始開關(guān)的一剎那發(fā)揮作用;

(7) M8043,回歸到初始狀態(tài);

(8) M8044,初始狀態(tài)前提,當(dāng)整機(jī)位于原點(diǎn)位置時(shí),線圈會(huì)導(dǎo)通。

回歸原始狀態(tài)模式: 按下回原點(diǎn)開關(guān)X11,使整機(jī)處在上升、后退、旋入、吸盤放氣狀態(tài),相應(yīng)近接開關(guān)導(dǎo)通。

手動(dòng)模式不必按工序順序動(dòng)作,當(dāng)普通繼電器程序來設(shè)計(jì)。機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)以下8 個(gè)動(dòng)作: "手臂下降"、"吸盤吸氣"、"手臂上升"、"引拔前進(jìn)"、"旋出"、"吸盤放氣"、"旋入"、"引拔后退",分別用與X16、X14、X17、X22、X20、X15、X21、X23 相對(duì)應(yīng)的按鈕控制。手動(dòng)模式的程序如圖5 所示。

圖5 手動(dòng)模式程序圖

自動(dòng)模式采用順序功能圖來設(shè)計(jì)程序,說明動(dòng)作的順序和狀態(tài)變化條件,方框代表"工步",鄰近兩"工步"用線段連接,代表變化的方向,橫線代表變化的條件。當(dāng)變化條件允許,則程序由前一"工步"運(yùn)動(dòng)到后一"工步",順序功能圖能轉(zhuǎn)化為梯形圖程序。自動(dòng)模式之前,按下回原點(diǎn)開關(guān)X11,使整機(jī)在初始位置。按開始開關(guān)使X18 導(dǎo)通,狀態(tài)變?yōu)镾20。輸出信號(hào)Y3,線圈A1 通電,上下氣缸驅(qū)使手臂下行,當(dāng)靠近下極*下近接開關(guān)X4 導(dǎo)通,狀態(tài)變?yōu)镾21,S20 自行回到剛才的狀態(tài)。

流程為先輸出相應(yīng)的信號(hào),對(duì)應(yīng)電磁閥其中一個(gè)線圈通電,然后特定氣缸發(fā)生動(dòng)作,至近接開關(guān)導(dǎo)通,zui后運(yùn)行狀態(tài)變化,一直運(yùn)動(dòng)到狀態(tài)S29,自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

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