基于PLC的工业取料机械手系统设计

该文研究的基于ＰＬＣ系统的工业取料机械手 具有造价低，使用灵活等优点，可以广泛应用于机械 行业、电子行业、化工行业、食品和包装行业等各种 恶劣环境的操作，特别适用于注塑行业，大幅度提高
收稿日期：２００９一０９一ｌｌ 作者简介：周鸿杰（１９８５），男，重庆人，中国科学技术大学硕士 研究生，研究方向为自动化控制。
如图４所示，系统采用ＰＬＣ进行控制，其中横 入横出部分选用电机进行控制，为了达到机械手的
万方数据
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工业仪表与自动化装置
２０１０年第３期
精确定位，采用步进电机进行控制。另外，为实现快 速平稳控制电机启停，设计出步进电机的速度控制 步骤及相关算法，实现了对步进电机的升降速度控
制。电机通过联轴器带动丝杠从而带动机械臂沿直 线导轨横入横出。而引拔，上下行，旋转，抓取部分 全部采用气动控制，同时采用触摸屏进行人机对话 十分直观。
机械手的工作流程为：机械手在初始位置，由电 机配合联轴器带动丝杠使机械手臂沿ｙ方向作横
Ｚ方向，选用高速汽缸驱动。同时在ｙ自由度上设 人运动，到达限位开关即停止，然后由汽缸推动竖直
有限位开关，而在ｘ、ｚ自由度汽缸以及吸盘旋转汽 缸都设有磁性开关，用来限定机械手移动范围及进 行限位保护。
方向手臂沿Ｘ方向作引拔进运动，到达磁性开关即 停止，然后有高速汽缸推动竖直方向手臂沿ｚ方向 作下行运动，碰到磁性开关即停止，然后吸取塑件，
真空发生器的吸力公式为： Ｆ＝ｐｈｆ氆 其中：Ｆ为真空发生器产生的吸力；ｐ为真空度；Ａ为
×１０一ｍ２，则通过上述公式计算出ｐ＝０．０５５ ＭＰａ。 此时真空发生器的真空度最小应为０．０５５ ＭＰａ。
３ 机械手控制系统组成 ３．１控制系统整体方案
吸盘的有效面积；乃为吸盘个数；ａ为安全系数，一 般来说，采用标准吸盘时，ａ＝６。
０
图６步进电机升降速曲线图
３．３气动控制 气动控制系统Ｌ／Ｏ接线图如图７所示，由ＰＬＣ
控制电磁阀的通断实现机械手在各自由度的运动。 为了实际需要，由于ｘ方向运动行程较小，运动速 度较低，中间行程不可调，选用普通汽缸驱动，直线 导轨导向；而在Ｚ方向，为提高生产效率，需尽量缩 短在该自由度方向的运动时间，因而选用高速汽缸。
由于机械手横移方向行程较大，且ｘ、ｚ方向的 重量全集中在该自由度上，因而负载较重，速度也较 高，实验证明采用汽缸驱动很容易出现汽缸密封圈泄 漏的现象，无法满足实际要求，因而采用步进电机配 合联轴器丝杆传动的驱动方式，且该驱动方式能有效 地调节机械手的运行速度以及机械手的定位。在这 种情况下可以大大减小误差，提高机械手的定位精 度，从而使系统具有更高的可靠性和更高的效率。
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Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ
０ 引言
目前在各种不同的工业企业中，比如注塑行业、 铸件行业等，经常有工件等需要搬运，特别是各种零 件在机电、日用品、五金中占很大比例（７０％以上）， 但目前绝大多数是采用手工取料，从而引发了大量 的工伤事故。应用ＰＬＣ控制机械手能实现各种规 定的工序动作，不仅可以提高产品的生产效率，而且 对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提 高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本， 有着十分重要的意义。
吸盘旋转部分的结构如图２所示，采用吸盘吸 上行，引拔退，横出，下行，吸盘旋转，放塑件，吸盘回
取塑件，选用汽缸驱动实现吸盘架９０。旋转。同时 正，上行回到原点。
在汽缸两侧需有接触开关以确定侧姿或回正状 态。吸盘末端需有磁性开关以确定塑件是否到 位，同时还设有真空压力开关以检测真空度是否 达到要求。
２机械手的气动控制系统
电机控制系统由脉冲信号、信号分配、功率放 大、步进电机组成，其中脉冲信号由ＰＬＣ产生，通过 信号分配再经过功率放大驱动步进电机带动负载工 作，如图５所示。
图５步进电机驱动系统图
为了使电机运行速度平稳及达到更高的定位精 度，必须对步进电机的升降速过程进行严格的控制。 该文采用指数形式曲线升降速，如图６所示。该方
２０Ｄ４．
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６．磁性开关；７．二位五通电磁阀；８．二位五通电磁阀；９．单向节流阀；ｌＯ．真空吸盘 图３机械手气动系统原理图
对于抓取物体的真空吸盘部分，必须配备真空 发生器，由于真空吸盘是抓取物体的关键部分，为了
假设吸盘所抓取的物体最大重量为３ ｋｇ，吸盘 个数为ｎ＝４，吸盘直径３２ ｍｍ，则有效面积为Ａ＝８
防止物体脱落，真空发生器所产生的吸力必须大于 或者等于所抓取物体的重力。
（上接第５２页）
目ｈ＿［珂 ４．２触摸屏设计 触摸屏的软件设计
Ｐ舵·卜卜Ｐｐ杯——骅————（（ｔ蜓互亘互囹回圈固 陶卜一——［亘圈
包括创建画面和设定变 量，并将它们与ＰＬＣ连
接。创建画面涉及输
Ⅳ输出区域组态，指示
灯组态，功能键组态及 文本显示等格式，具体
∞卜——（ｊ妇 设计要根据机械手的控
制要求设计不同的画
图８ ＰＬＣ总体梯形图程序 面；设定变量就是把触
摸屏的组态功能与ＰＬＣ的相应Ｉ／Ｏ接点及存储单
元之间建立联系，实现触摸屏敏感元件对ＰＬＣ参数
的输入，ＰＬＣ当前值及报警系统向触摸屏的输出。
触摸屏画面如图９所示，它由初始页面、单循环
操作页面、手动操作页面和全自动操作页面组成。
全自动操作页面包括循环次数；手动状态页面包括 横入，横出，引拔进，引拔退，上行，下行，侧姿（９０。旋
电磁阀断电，汽缸由于惯性作用继续运动，当到达满
量程时速度减为零，这样可以实现较好的缓冲效果，
图２机械手侧姿结构图
减小冲击和噪声。
引拔气缸
ＣＰ９５ＳＤＢ５０一６００·Ｙ５９ＡＬ
上下行气缸
吸盘旋转驰？“Ｌ缸
ＣＰ９５ＳＤＢ４０一６００—Ｙ５９ＡＬ ＣＰ９５ｓＤＢ５０—ｌ ｏｏ—Ｙ５９ＡＬ
真空发生器组件
１．手动截止阀；２．储气罐；３．分水滤气器；４．过滤减压阕；５．二位五通电磁阀；
横
式是根据步进电机的矩频特性曲线以及实际情况， 能够更好的迎合电机自身的特性，符合步进电机加 减速运动的规律，能够充分利用电机的有效转矩，快 速相应性能较好，升降速时间较短，能够获得很好的 实际效果。
ⅣＨｚ
图４机械手控制系统框架
系统工作模式分为全自动模式、单循环模式、手 动模式，用户可以根据实际需要选择，非常方便。在 全自动模式下，机械手每隔１０ ｓ完成一次取料，不 停往复；在单循环模式下，机械手完成一次取料后停 在原点，等待下一次命令到来；在手动模式下，机械 手输入的手动按键命令做单个方向动作，包括横入， 横出，引拔进，引拔退，上行，下行，侧姿（９０。旋转）， 回正（水平）。 ３．２电机控制
根据机械手的工作流程设计图３所示的气动原 理图，为了使汽缸运行速度比较平稳，提高机械手的
稳定性及工作效率，在每一个独立的气动回路都配 有单向节流阀。由于运动的惯性和气体具有可压缩
性，如果在汽缸运动到满量程时停止汽缸，则会产生
较大的冲击和噪声，因此在每个汽缸上接近满量程
时都配有磁性开关，当汽缸运行接触到磁性开关时，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｏｎｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｐａｒｔ ｄｅｌｉｖｅｒ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｎｓｔｌｌ】ｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｕｓｅｄ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｐａｎ ｄｅｌｉＶｅｒｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，
转），回正（水平）。以上每个页面都设有返回、向
匕、向下箭头。
初始画面
单循环画面Ｊ ｌ手动画面Ｉ ｌ全自动画面
垡刽划坦型坦型世到乜翌到幽幽ｌ堡堡姿墼
图９触摸屏画面图
５ 结论 该文设计的取料机械手通过机械、气动、电气和
ＰＬＣ控制系统的综合设计，可以广泛应用于注塑业 取料，实践表明，该系统可以快速、准确的对控制要 求作出反应，具有可靠性高、灵活性强、稳定性好，可 大大提高生产效率。 参考文献： ［１］廖常初．ＰＬＣ编程及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，
万方数据
了生产效率和生产质量，可以创造巨大的社会效益 和经济效益。
１机械手的结构及工作原理
该机械手由机械手臂、电机、联轴器、汽缸、丝
杠、导轨、吸盘、底座组成，如图ｌ所示。
引拔汽缸 导轨
丝杆 匕下汽缸
步进电机
底座
磁性开关侧姿汽缸吸盘
图ｌ机械手机构示意图
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在Ｘ方向，选用普通汽缸驱动，直线导轨导向。 在ｙ方向，采用步进电机驱动丝杆的传动方式。在
（下转第５７页）
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图５组态王中查看０Ｐｃ服务器对话框
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基于ＰＬＣ的工业取料机械手系统设计
周鸿杰ｈ２８，骆敏舟１，李涛１’幼。徐林森１’３，胡晓娟１’３
（１．中国科学院合肥智能机械研究所，合肥２３００３ｌ； ２．中国科学技术大学扎自动化系；ｂ．精密机械与精密仪器系，合肥２３００２７；
３．常州机械电子工程研究所，江苏常州２１３１６４） 摘要：介绍了一种基于ＰＬＣ控制的工业取料机械手，设计了取料机械手的机械结构和气动系 统，并给出了ＰＬＣ控制系统的软硬件设计和步进电机运行速度控制设计，该系统应用于注塑行业， 具有稳定可靠的性能，提高了生产效率。 关键词：ＰＬＣ；机械手；气动系统 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—０６８２（２０１０）０３—００５０—０３
ห้องสมุดไป่ตู้
全
苴
叫
横移进 横移退
引拔ｊ荭 引拔退
上
下
侧姿 回止
ＰＬＣ
横 横 引
引
图７ ＰＬＣ的Ｉ／０接线图
４软件设计
４．１ ＰＬＣ程序设计 图８所示为ＰＬＣ梯形图的总体结构图，包括公
用程序、自动程序、手动程序、回原位程序４个部分， 其中自动程序包括系统工作在全自动模式下的程序 和系统工作在单循环模式下的程序。当选择手动工 作模式时，）【３接通，跳过自动程序执行手动程序；当 选择自动工作模式时，）（３断开，执行自动程序。
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