主頁 > 新聞動態 > 氣動機械手結構功能介紹及PLC控制系統的設計原理 2021-12-14

氣動機械手結構功能介紹及PLC控制系統的設計原理

機械手廣泛用于機械制造、冶金、電子和輕工等部門，其執行機構一般由液壓、氣動或電機來完成，由于氣壓技術以壓縮空氣為介質，結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩、可靠、節能，工作壽命長，特別是對環境沒有污染、易于控制和維護，因此機械手的驅動系統常采用氣動技術。
一、氣動機械手PLC控制系統結構和功能介紹
機械手的終端是一個氣動夾爪，可以實現抓和放的動作，由一個雙作用氣缸和一個雙電控電磁閥來完成控制;氣動夾爪安裝在一個垂直方向的雙作用氣缸上，能實現上升和下降動作，方向的控制由一個單電控的電磁閥來完成;垂直方向的氣缸又安裝在一個水平方向的伸縮氣缸上，能實現伸出和縮回動作，水平雙作用氣缸由一個雙電控的電磁閥完成;水平氣缸再安裝在一個雙作用旋轉氣缸上，能實現左旋和右旋動作，我們希望它能停在活動范圍的任意位置，因此選擇了一個雙電控的三位五通閥來控制。因此機械手的動作由4個電磁閥共7個控制點來實現其旋轉、伸縮、上下和抓放的動作，其氣動系統原理圖。

另外，氣動機械手的感知部分采用了這樣一些信號開關：左右極限點各用1個電感式傳感器，伸縮的前后極限點各采用了1個標準型的磁電開關，上下極限點也各采用磁電開關。這樣這個機械手系統上就有了6個信號采集輸入點。最后機械手再配上2個按鈕，分別用于啟動和停止。
二、氣動機械手PLC控制系統的設計
1.總體設計
PLC的運行是借助相關算法來實現物理量的輸入與輸出，以便獲得工業生產所需數據信息，整個工作過程包括輸入處理、執行程序和輸出處理3個階段，即一個掃描周期，掃描周期所需時間長短某種程度上決定了控制速度。
PLC開始運行之后，首先以掃描方式有序讀取全部輸入輸出數據，并將讀取到的內容存儲到I/O對應的內部寄存器，在用戶執行程序時，這些輸入點在內部寄存器內的狀態和數據一般是穩定的，而其他輸出點則可能出現相應變化，當完成掃描工序后，PLC開始進行輸出處理，此時CPU會根據內部寄存器內對應的狀態和數據刷新，并更新到與內部寄存器對應的I/O口上，再經輸出電路驅動相應的外設。PLC控制系統總體設計方案。
如圖3 所示，整個控制系統由觸摸屏、PLC、電磁閥、磁性開關、壓力變送器、指示燈、報警器等元器件組成。PLC控制系統設計中，采用主站加從站的分布式控制模式，其功能分別是實現從站之間的數據通信，以及對各自控制單元的控制。在系統實現過程中，監控中心設置上位機，在上位機上基于WinCC 開發了對控制系統進行實時監控的監控系統，不同的從站點分別設置相應的觸摸屏，以達到實時監控與顯示控制單元控制狀態的目的，機械手單元的控制系統選擇的是從站PLC + 觸摸屏的模式，前者可實現系統控制邏輯關系，后者則是方便
人機交互。

PLC控制方案

2.I/O端口的分配
根據機械手的工作狀態和操作信息共需要11個輸入量、8 個輸出量，根據控制要求及端子數，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 點輸入、16 點輸出，I /O 點數共計40 點，它可以有7 個擴展模塊，zui大可擴展248 點的輸入/輸出。X0～X7 分別代表手動、回原點、單步、運行、單周期、連續、啟動、停止等8 個按鈕; X20 ～ X27 分別代表左轉、右轉、伸出、縮回、提升、下降、夾緊、松開等8 個按鈕; Y1 ～ Y7 分別代表左轉、右轉、伸出、縮回、提升、下降、夾緊、松開等8 個輸出功能。
3.控制程序設計
控制程序作為PLC 控制的核心，其程序設計的關鍵將直接決定系統運行的好壞。本文采用模塊化設計思想，即“化整為零”的方法，將機械手整個的控制程序分為公用程序、手動程序和自動程序3 大段，機械手運行時首先會執行公用程序，然后當選擇手動工作方式(手動或單步)時，X0 或X2 會接通并跳至手動程序; 當選擇自動工作方式( 單周期或連續) 時，X0 或X2 斷開，而X3 或X4 會接通并跳至自動程序。
4.PLC 通訊實現
通訊是控制系統的重要組成部分。本文對通訊系統的設計采用S7 － 200，同時通訊驅動程序選擇“STIMATIC S7－ 200”。對系統的通訊來講，其中觸摸屏和PLC 的通訊通常包括MPI、DP 和以太網三種方式實現，而觸摸屏接口可選擇IFBI 接口和以太網接口，其中MPI、DP 通訊均通過IFBI 接口，而以太網通訊則通過以太網接口。本文結合上述的特點，選擇IFBI 通訊接口，再選擇MPI 通訊方式，PC 機、觸摸屏、PLC 與zui高站的地址分別設置為0，1，2，3，PLC 的插槽與機架要和PLC 的硬件安裝相對應。
三、氣動機械手的基本形式
1.直角坐標式機械手
注塑形直角坐標式機械手是目前較為有代表性的機械手之一。其以空間直角坐標系OXYZ為設計基礎，能夠使機械手按一定順序沿著空間直角坐標系的三個軸進行往返運動，使得機械手獲得六個自動度的運行，往往應用于工作目標排列整齊，且工作位置排列成行的工作當中。部分工業制造企業也將直角坐標式機械手安置于傳送帶上，使兩者相互配合使用。
直角坐標式機械手應用范圍較廣，且其本身便具備一定的優勢，如CF75—10—c—p—fo型機械手。直角坐標式機械手具有以下特點：其一，生產量較高且頻率較快，可以達到企業對機
械手速度方面的要求。其二，與生產流水線中的傳送帶配合較為默契，也能與加工裝配機械進行配合。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，使用人員輸入坐標之后，機械手便會自動工作，且定位精度不受物品載重的變化而發生改變。但直角坐標式機械手也存在一定缺點，即其作業范圍較小，只能完成固定區域內的工作。
2.圓柱坐標式機械手
物料分揀機械手是立體倉庫物料傳送系統的重要組成部分，而大部分企業都選用圓柱坐標式機械手作為物料分揀機械手。圓柱坐標式機械手能夠使氣缸進行水平伸縮，同時也可以令氣缸進行上下垂直運動，同時要求機械手能夠左右旋轉，并抓緊目標物料。企業往往使用圓柱坐標式機械手進行測量與搬運工作。
圓柱坐標式機械手具備許多優點：結構較為簡易、占地面積小，工作范圍廣等。若設計人員將活動套筒安裝于垂直導柱之上，機械手還可以實現在上下垂與水平面運動過程中，完成帶有弧度的左右擺動的動作。
3.球坐標式機械手
以車橋附件焊接系統機器人，其不僅能夠沿一個方向做直線運動，還可以以兩個坐標軸為圓周進行旋轉。球坐標式機械手擁有的自由度較大，在工業制造中的應用也較為頻繁。球坐標式機械手能夠完成如下動作：旋轉、伸縮、彎曲、擺動等，對工業制造的發展具有積極意義。球坐標式的基本構造是將機械手安裝于樞軸之上，之后將樞軸安裝于叉形夾之上，以便機械手能夠于垂直平面之內實現圓弧狀上下運動，工作范圍與工作效果幾乎與人類相同。球坐標式機械手工作范圍廣、工作效率高，對我國工業制造企業的發展具有積極意義。
四、結束語
機械手的相關原理和PLC 開發技術，設計了基于PLC 的機械手控制系統，并從機械手結構、啟動控制回路、PLC 控制設計等方面對系統進行了詳細的設計，從而實現了手動/自動的多角度機械手運動控制，提高機械手控制精度，增強系統的實用性。

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