主頁 > 新聞動態(tài) > 氣動機械手結(jié)構(gòu)功能介紹及PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原理 2021-12-14

氣動機械手結(jié)構(gòu)功能介紹及PLC控制系統(tǒng)的設(shè)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(zhí)行機構(gòu)一般由液壓、氣動或電機來完成，由于氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能，工作壽命長，特別是對環(huán)境沒有污染、易于控制和維護，因此機械手的驅(qū)動系統(tǒng)常采用氣動技術(shù)。
一、氣動機械手PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹
機械手的終端是一個氣動夾爪，可以實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)氣缸上，能實現(xiàn)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(xiàn)其旋轉(zhuǎn)、伸縮、上下和抓放的動作，其氣動系統(tǒng)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(guān)：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(biāo)準(zhǔn)型的磁電開關(guān)，上下極限點也各采用磁電開關(guān)。這樣這個機械手系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計
1.總體設(shè)計
PLC的運行是借助相關(guān)算法來實現(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，整個工作過程包括輸入處理、執(zhí)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(shù)據(jù)，并將讀取到的內(nèi)容存儲到I/O對應(yīng)的內(nèi)部寄存器，在用戶執(zhí)行程序時，這些輸入點在內(nèi)部寄存器內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)一般是穩(wěn)定的，而其他輸出點則可能出現(xiàn)相應(yīng)變化，當(dāng)完成掃描工序后，PLC開始進行輸出處理，此時CPU會根據(jù)內(nèi)部寄存器內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新，并更新到與內(nèi)部寄存器對應(yīng)的I/O口上，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案。
如圖3 所示，整個控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、電磁閥、磁性開關(guān)、壓力變送器、指示燈、報警器等元器件組成。PLC控制系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)從站之間的數(shù)據(jù)通信，以及對各自控制單元的控制。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，監(jiān)控中心設(shè)置上位機，在上位機上基于WinCC 開發(fā)了對控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控的監(jiān)控系統(tǒng)，不同的從站點分別設(shè)置相應(yīng)的觸摸屏，以達到實時監(jiān)控與顯示控制單元控制狀態(tài)的目的，機械手單元的控制系統(tǒng)選擇的是從站PLC + 觸摸屏的模式，前者可實現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯關(guān)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(jù)機械手的工作狀態(tài)和操作信息共需要11個輸入量、8 個輸出量，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 點輸入、16 點輸出，I /O 點數(shù)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(xù)、啟動、停止等8 個按鈕; 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 個輸出功能。
3.控制程序設(shè)計
控制程序作為PLC 控制的核心，其程序設(shè)計的關(guān)鍵將直接決定系統(tǒng)運行的好壞。本文采用模塊化設(shè)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(zhí)行公用程序，然后當(dāng)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(dāng)選擇自動工作方式( 單周期或連續(xù)) 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(xiàn)
通訊是控制系統(tǒng)的重要組成部分。本文對通訊系統(tǒng)的設(shè)計采用S7 － 200，同時通訊驅(qū)動程序選擇“STIMATIC S7－ 200”。對系統(tǒng)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(wǎng)三種方式實現(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IFBI 接口，而以太網(wǎng)通訊則通過以太網(wǎng)接口。本文結(jié)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(shè)置為0，1，2，3，PLC 的插槽與機架要和PLC 的硬件安裝相對應(yīng)。
三、氣動機械手的基本形式
1.直角坐標(biāo)式機械手
注塑形直角坐標(biāo)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(biāo)系OXYZ為設(shè)計基礎(chǔ)，能夠使機械手按一定順序沿著空間直角坐標(biāo)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(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)式機械手應(yīng)用范圍較廣，且其本身便具備一定的優(yōu)勢，如CF75—10—c—p—fo型機械手。直角坐標(biāo)式機械手具有以下特點：其一，生產(chǎn)量較高且頻率較快，可以達到企業(yè)對機
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(biāo)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(fā)生改變。但直角坐標(biāo)式機械手也存在一定缺點，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)式機械手
物料分揀機械手是立體倉庫物料傳送系統(tǒng)的重要組成部分，而大部分企業(yè)都選用圓柱坐標(biāo)式機械手作為物料分揀機械手。圓柱坐標(biāo)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(zhuǎn)，并抓緊目標(biāo)物料。企業(yè)往往使用圓柱坐標(biāo)式機械手進行測量與搬運工作。
圓柱坐標(biāo)式機械手具備許多優(yōu)點：結(jié)構(gòu)較為簡易、占地面積小，工作范圍廣等。若設(shè)計人員將活動套筒安裝于垂直導(dǎo)柱之上，機械手還可以實現(xiàn)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(biāo)式機械手
以車橋附件焊接系統(tǒng)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(biāo)軸為圓周進行旋轉(zhuǎn)。球坐標(biāo)式機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)式機械手能夠完成如下動作：旋轉(zhuǎn)、伸縮、彎曲、擺動等，對工業(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(nèi)實現(xiàn)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(biāo)式機械手工作范圍廣、工作效率高，對我國工業(yè)制造企業(yè)的發(fā)展具有積極意義。
四、結(jié)束語
機械手的相關(guān)原理和PLC 開發(fā)技術(shù)，設(shè)計了基于PLC 的機械手控制系統(tǒng)，并從機械手結(jié)構(gòu)、啟動控制回路、PLC 控制設(shè)計等方面對系統(tǒng)進行了詳細的設(shè)計，從而實現(xiàn)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(tǒng)的實用性。

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氣動機械手結(jié)構(gòu)功能介紹及PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原理

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