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氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)功能介紹及PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

機(jī)械手廣泛用于機(jī)械制造、冶金、電子和輕工等部門，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由液壓、氣動(dòng)或電機(jī)來(lái)完成，由于氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能，工作壽命長(zhǎng)，特別是對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染、易于控制和維護(hù)，因此機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常采用氣動(dòng)技術(shù)。
一、氣動(dòng)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹
機(jī)械手的終端是一個(gè)氣動(dòng)夾爪，可以實(shí)現(xiàn)抓和放的動(dòng)作，由一個(gè)雙作用氣缸和一個(gè)雙電控電磁閥來(lái)完成控制;氣動(dòng)夾爪安裝在一個(gè)垂直方向的雙作用氣缸上，能實(shí)現(xiàn)上升和下降動(dòng)作，方向的控制由一個(gè)單電控的電磁閥來(lái)完成;垂直方向的氣缸又安裝在一個(gè)水平方向的伸縮氣缸上，能實(shí)現(xiàn)伸出和縮回動(dòng)作，水平雙作用氣缸由一個(gè)雙電控的電磁閥完成;水平氣缸再安裝在一個(gè)雙作用旋轉(zhuǎn)氣缸上，能實(shí)現(xiàn)左旋和右旋動(dòng)作，我們希望它能停在活動(dòng)范圍的任意位置，因此選擇了一個(gè)雙電控的三位五通閥來(lái)控制。因此機(jī)械手的動(dòng)作由4個(gè)電磁閥共7個(gè)控制點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)、伸縮、上下和抓放的動(dòng)作，其氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖。

另外，氣動(dòng)機(jī)械手的感知部分采用了這樣一些信號(hào)開關(guān)：左右極限點(diǎn)各用1個(gè)電感式傳感器，伸縮的前后極限點(diǎn)各采用了1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型的磁電開關(guān)，上下極限點(diǎn)也各采用磁電開關(guān)。這樣這個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)上就有了6個(gè)信號(hào)采集輸入點(diǎn)。最后機(jī)械手再配上2個(gè)按鈕，分別用于啟動(dòng)和停止。
二、氣動(dòng)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.總體設(shè)計(jì)
PLC的運(yùn)行是借助相關(guān)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)物理量的輸入與輸出，以便獲得工業(yè)生產(chǎn)所需數(shù)據(jù)信息，整個(gè)工作過(guò)程包括輸入處理、執(zhí)行程序和輸出處理3個(gè)階段，即一個(gè)掃描周期，掃描周期所需時(shí)間長(zhǎng)短某種程度上決定了控制速度。
PLC開始運(yùn)行之后，首先以掃描方式有序讀取全部輸入輸出數(shù)據(jù)，并將讀取到的內(nèi)容存儲(chǔ)到I/O對(duì)應(yīng)的內(nèi)部寄存器，在用戶執(zhí)行程序時(shí)，這些輸入點(diǎn)在內(nèi)部寄存器內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)一般是穩(wěn)定的，而其他輸出點(diǎn)則可能出現(xiàn)相應(yīng)變化，當(dāng)完成掃描工序后，PLC開始進(jìn)行輸出處理，此時(shí)CPU會(huì)根據(jù)內(nèi)部寄存器內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新，并更新到與內(nèi)部寄存器對(duì)應(yīng)的I/O口上，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。
如圖3 所示，整個(gè)控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、電磁閥、磁性開關(guān)、壓力變送器、指示燈、報(bào)警器等元器件組成。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用主站加從站的分布式控制模式，其功能分別是實(shí)現(xiàn)從站之間的數(shù)據(jù)通信，以及對(duì)各自控制單元的控制。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，監(jiān)控中心設(shè)置上位機(jī)，在上位機(jī)上基于WinCC 開發(fā)了對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的監(jiān)控系統(tǒng)，不同的從站點(diǎn)分別設(shè)置相應(yīng)的觸摸屏，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示控制單元控制狀態(tài)的目的，機(jī)械手單元的控制系統(tǒng)選擇的是從站PLC + 觸摸屏的模式，前者可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯關(guān)系，后者則是方便
人機(jī)交互。

PLC控制方案

2.I/O端口的分配
根據(jù)機(jī)械手的工作狀態(tài)和操作信息共需要11個(gè)輸入量、8 個(gè)輸出量，根據(jù)控制要求及端子數(shù)，本文選用西門子S7 － 200 系列的CPU226 AC /DC /RLY 型PLC，CPU226 AC /DC /RLY 具有24 點(diǎn)輸入、16 點(diǎn)輸出，I /O 點(diǎn)數(shù)共計(jì)40 點(diǎn)，它可以有7 個(gè)擴(kuò)展模塊，zui大可擴(kuò)展248 點(diǎn)的輸入/輸出。X0～X7 分別代表手動(dòng)、回原點(diǎn)、單步、運(yùn)行、單周期、連續(xù)、啟動(dòng)、停止等8 個(gè)按鈕; X20 ～ X27 分別代表左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、伸出、縮回、提升、下降、夾緊、松開等8 個(gè)按鈕; Y1 ～ Y7 分別代表左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、伸出、縮回、提升、下降、夾緊、松開等8 個(gè)輸出功能。
3.控制程序設(shè)計(jì)
控制程序作為PLC 控制的核心，其程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵將直接決定系統(tǒng)運(yùn)行的好壞。本文采用模塊化設(shè)計(jì)思想，即“化整為零”的方法，將機(jī)械手整個(gè)的控制程序分為公用程序、手動(dòng)程序和自動(dòng)程序3 大段，機(jī)械手運(yùn)行時(shí)首先會(huì)執(zhí)行公用程序，然后當(dāng)選擇手動(dòng)工作方式(手動(dòng)或單步)時(shí)，X0 或X2 會(huì)接通并跳至手動(dòng)程序; 當(dāng)選擇自動(dòng)工作方式( 單周期或連續(xù)) 時(shí)，X0 或X2 斷開，而X3 或X4 會(huì)接通并跳至自動(dòng)程序。
4.PLC 通訊實(shí)現(xiàn)
通訊是控制系統(tǒng)的重要組成部分。本文對(duì)通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用S7 － 200，同時(shí)通訊驅(qū)動(dòng)程序選擇“STIMATIC S7－ 200”。對(duì)系統(tǒng)的通訊來(lái)講，其中觸摸屏和PLC 的通訊通常包括MPI、DP 和以太網(wǎng)三種方式實(shí)現(xiàn)，而觸摸屏接口可選擇IFBI 接口和以太網(wǎng)接口，其中MPI、DP 通訊均通過(guò)IFBI 接口，而以太網(wǎng)通訊則通過(guò)以太網(wǎng)接口。本文結(jié)合上述的特點(diǎn)，選擇IFBI 通訊接口，再選擇MPI 通訊方式，PC 機(jī)、觸摸屏、PLC 與zui高站的地址分別設(shè)置為0，1，2，3，PLC 的插槽與機(jī)架要和PLC 的硬件安裝相對(duì)應(yīng)。
三、氣動(dòng)機(jī)械手的基本形式
1.直角坐標(biāo)式機(jī)械手
注塑形直角坐標(biāo)式機(jī)械手是目前較為有代表性的機(jī)械手之一。其以空間直角坐標(biāo)系OXYZ為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，能夠使機(jī)械手按一定順序沿著空間直角坐標(biāo)系的三個(gè)軸進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，使得機(jī)械手獲得六個(gè)自動(dòng)度的運(yùn)行，往往應(yīng)用于工作目標(biāo)排列整齊，且工作位置排列成行的工作當(dāng)中。部分工業(yè)制造企業(yè)也將直角坐標(biāo)式機(jī)械手安置于傳送帶上，使兩者相互配合使用。
直角坐標(biāo)式機(jī)械手應(yīng)用范圍較廣，且其本身便具備一定的優(yōu)勢(shì)，如CF75—10—c—p—fo型機(jī)械手。直角坐標(biāo)式機(jī)械手具有以下特點(diǎn)：其一，生產(chǎn)量較高且頻率較快，可以達(dá)到企業(yè)對(duì)機(jī)
械手速度方面的要求。其二，與生產(chǎn)流水線中的傳送帶配合較為默契，也能與加工裝配機(jī)械進(jìn)行配合。其三，能夠完成工序繁瑣的工作，如裝箱，使用人員也能夠輕易的變更定位。其四，定位精度較高，使用人員輸入坐標(biāo)之后，機(jī)械手便會(huì)自動(dòng)工作，且定位精度不受物品載重的變化而發(fā)生改變。但直角坐標(biāo)式機(jī)械手也存在一定缺點(diǎn)，即其作業(yè)范圍較小，只能完成固定區(qū)域內(nèi)的工作。
2.圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手
物料分揀機(jī)械手是立體倉(cāng)庫(kù)物料傳送系統(tǒng)的重要組成部分，而大部分企業(yè)都選用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手作為物料分揀機(jī)械手。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手能夠使氣缸進(jìn)行水平伸縮，同時(shí)也可以令氣缸進(jìn)行上下垂直運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要求機(jī)械手能夠左右旋轉(zhuǎn)，并抓緊目標(biāo)物料。企業(yè)往往使用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手進(jìn)行測(cè)量與搬運(yùn)工作。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手具備許多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)易、占地面積小，工作范圍廣等。若設(shè)計(jì)人員將活動(dòng)套筒安裝于垂直導(dǎo)柱之上，機(jī)械手還可以實(shí)現(xiàn)在上下垂與水平面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，完成帶有弧度的左右擺動(dòng)的動(dòng)作。
3.球坐標(biāo)式機(jī)械手
以車橋附件焊接系統(tǒng)機(jī)器人，其不僅能夠沿一個(gè)方向做直線運(yùn)動(dòng)，還可以以兩個(gè)坐標(biāo)軸為圓周進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。球坐標(biāo)式機(jī)械手擁有的自由度較大，在工業(yè)制造中的應(yīng)用也較為頻繁。球坐標(biāo)式機(jī)械手能夠完成如下動(dòng)作：旋轉(zhuǎn)、伸縮、彎曲、擺動(dòng)等，對(duì)工業(yè)制造的發(fā)展具有積極意義。球坐標(biāo)式的基本構(gòu)造是將機(jī)械手安裝于樞軸之上，之后將樞軸安裝于叉形夾之上，以便機(jī)械手能夠于垂直平面之內(nèi)實(shí)現(xiàn)圓弧狀上下運(yùn)動(dòng)，工作范圍與工作效果幾乎與人類相同。球坐標(biāo)式機(jī)械手工作范圍廣、工作效率高，對(duì)我國(guó)工業(yè)制造企業(yè)的發(fā)展具有積極意義。
四、結(jié)束語(yǔ)
機(jī)械手的相關(guān)原理和PLC 開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于PLC 的機(jī)械手控制系統(tǒng)，并從機(jī)械手結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)控制回路、PLC 控制設(shè)計(jì)等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)/自動(dòng)的多角度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制，提高機(jī)械手控制精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。

氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)功能介紹及PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

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