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PLC控制氣動式機械手系統(tǒng)的設計與開發(fā)

更新時間:2017-08-31      點擊次數(shù):4865

機械手和注塑機的配套使用能實現(xiàn)注塑生產(chǎn)智能化,但取模機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、撞壞設備等情形。

為了提高注塑機取件機械手的穩(wěn)定性,本文利用擴展方便的PLC代替繼電器,結(jié)合速度快的氣缸驅(qū)動技術(shù),設計了氣壓驅(qū)動系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng),對提高工業(yè)自動化程度具有積極意

義。

1、機械手的結(jié)構(gòu)和控制要求

在氣缸的帶動下,手臂終端可在3 個坐標內(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)動氣動元件,改變氣壓回路中換向閥的工作位置來使氣流按要求流動,向控制系統(tǒng)發(fā)送規(guī)定的開關(guān)信號來控制機械手。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)合注塑機開模、合模等工作過程,在氣缸的驅(qū)動下,機械手的控制要求如下:

(1) 選擇自動模式時,按下開始開關(guān),待注塑機開模后,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)動作。

圖1 機械手的結(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)生負壓,吸盤吸住注塑件,至吸氣近接開關(guān)動作[2]。

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

(4) 電磁閥( 線圈B1) 通電,引拔前進,至前進近接開關(guān)動作。

(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)動作。

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

(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)動作。

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

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

(12) 能夠切換為手動模式,按下對應的開關(guān),機械手根據(jù)命令執(zhí)行相應的動作,也可以根據(jù)工藝流程自動運行。

自動控制的動作流程: 注塑機開模,手臂下降→吸盤取物→手臂上升→引拔前進→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,等待注塑機再次開模。

2、氣動系統(tǒng)設計

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

把負壓發(fā)生器與氣吸盤串聯(lián)在一起,當有高壓氣體通過負壓發(fā)生器時,氣吸盤呈現(xiàn)負壓并吸起物品。為了減緩手臂上下運行時機臺的晃動,使用上下緩沖氣缸做緩沖。氣動原理圖如圖2 所示。

圖2 氣動原理圖

3、機械手控制系統(tǒng)的構(gòu)成與設計開發(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)行機構(gòu)( 電磁閥) 來使驅(qū)動模塊[3] (氣缸和負壓發(fā)生器) 按照指令運動,從而導致運動機構(gòu)( 手臂和吸盤) 的工作,同時接收裝在機械手機身上的傳感器( 近接開關(guān)) 反饋回來的信號,以此監(jiān)測機械手的運動情況。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 點個數(shù)

通過對PLC 和動作過程進行研究,總結(jié)出需將如下信號傳輸給它: 8 個開關(guān)"按鈕X"信號,這是控制機械手運動要用到的。8 個近接開關(guān)"確認X"信號,分別用來檢測機械手的運動狀態(tài)并反饋給PLC。此外,考慮到控制體系的需求,還要3 個按鈕信號依次為: "開始"、"重啟"和"位置",1 個"停止"按鈕信號用來結(jié)束工作,1個選擇運行方式的"自動/手動"旋動開關(guān),1 個"回原點"按鈕。

PLC 需要輸出如下信號: 控制3 個氣缸和1 個負壓發(fā)生器的4 個雙電控電磁閥需要8 個"輸出Y"動作信號。3 個用于說明機器"開始"、"重啟"和"位置"的工作狀況燈。因此采用輸入點數(shù)目≥22、輸出點數(shù)目≥11 的PLC。

3.3 PLC 型號的選擇

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


圖4 控制系統(tǒng)接線圖

3.4 PLC 的程序設計

運用模塊化設計,把機械手控制程序分為: 公共程序、手動程序和自動程序。根據(jù)動作要求,設計出機械手運行時的程序,整機系統(tǒng)的原始情形通過IST 指令來控制,當達到IST 指令的運行要求時,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,自動模式的zui初狀態(tài)繼電器;

(4) M8040,防止轉(zhuǎn)變,當導通線圈后,保持一切動作不變;

(5) M8041,開始轉(zhuǎn)變,當線圈導通,容許狀態(tài)由開始發(fā)生轉(zhuǎn)變;

(6) M8042,啟動脈沖,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,當整機位于原點位置時,線圈會導通。

回歸原始狀態(tài)模式: 按下回原點開關(guān)X11,使整機處在上升、后退、旋入、吸盤放氣狀態(tài),相應近接開關(guān)導通。

手動模式不必按工序順序動作,當普通繼電器程序來設計。機械手可實現(xiàn)以下8 個動作: "手臂下降"、"吸盤吸氣"、"手臂上升"、"引拔前進"、"旋出"、"吸盤放氣"、"旋入"、"引拔后退",分別用與X16、X14、X17、X22、X20、X15、X21、X23 相對應的按鈕控制。手動模式的程序如圖5 所示。

圖5 手動模式程序圖

自動模式采用順序功能圖來設計程序,說明動作的順序和狀態(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。當變化條件允許,則程序由前一"工步"運動到后一"工步",順序功能圖能轉(zhuǎn)化為梯形圖程序。自動模式之前,按下回原點開關(guān)X11,使整機在初始位置。按開始開關(guān)使X18 導通,狀態(tài)變?yōu)镾20。輸出信號Y3,線圈A1 通電,上下氣缸驅(qū)使手臂下行,當靠近下極*下近接開關(guān)X4 導通,狀態(tài)變?yōu)镾21,S20 自行回到剛才的狀態(tài)。

流程為先輸出相應的信號,對應電磁閥其中一個線圈通電,然后特定氣缸發(fā)生動作,至近接開關(guān)導通,zui后運行狀態(tài)變化,一直運動到狀態(tài)S29,自動運行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6 所示。

圖6 自動運行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

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