基于PLC的机械手群在转子搬运中的应用

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  [摘要]介绍一种基于PLC的机械手群控系统在转子搬运中的实际应用,详细阐述该控制系统的组成、硬件和软件设计方法。
  [关键词]机械手 PLC 气动系统
  中图分类号:TM92文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2008)1210110-01
  
  一、前言
  
  动平衡是旋转类产品生产、制造过程中必须解决的一个基本的共性问题,其优劣程度直接决定产品的工作性能、使用寿命,对产品的质量产生巨大的影响。为使旋转类产品具有良好的动平衡性能,均需进行动平衡校正,动平衡校正[1]分为动平衡称重和动平衡加工去重两个基本过程。先进的动平衡校正设备在称重、去重之间采用机械手进行自动搬运,实现机电一体化。
  本文针对汽车发电机转子动平衡校正设备设计了一种由PLC和6个机械手组成的控制系统,该系统由PLC控制电路及气压回路驱动汽缸对机械手进行远程控制和操作,控制6个机械手实现要求的运动轨迹,以提高转子搬运工作的自动化程度和动平衡校正的精确性,提高生产效率。
  
  二、机械手的系统组成与任务
  
  机械手是一种模仿人手动作,并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓(吸)取、搬运工件或工具进行操作的高科技自动化生产设备。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置所组成。
  执行机构为机械手的主体部分,主要包括基座、手臂、手爪等。
  驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等;采用气压传动,动作迅速,反应敏捷,工作环境适应性好,不会污染环境,便于自动控制,在本设计中采用气压传动。
  控制系统是机械手的核心部分,它支配机械手按规定的程序运行,记忆给予机械手的指令信息,同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,同时,对机械手的动作进行监控。控制系统采用先进的PLC做控制器。
  位置检测装置主要用于检测机械手的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,与设定的位置进行比较,再通过控制系统进行调整,以达到所需的精度控制。
  本文设计的动平衡校正设备中共有6个机械手[2],6个机械手的初始位置为0号位,转子由左输送带传送到0号位,由6个机械手根据要求将转子从位置0依次传送到1、2、3、4、5,进行动平衡检测、去重、调面、再去重、合格检测5个工艺过程,动平衡校正加工完成的转子从位置5传送到右传送带上,进入下一环节,根据搬运任务要求,6个机械手要实现X方向和Y方向的运动绕Z方向的旋转,同时在抓取过程中要实现手臂的自动升降和抓放转子的过程。
  
  三、机械手的气动系统结构
  
  机械手的气动控制方法[3]是由气源、气源三联体、气源通断控制阀以及各气缸的控制阀组成顺序动作回路。
  气源出来的气体经过气源三联体过滤、减压、润滑处理后,通过相应的电磁换向阀来驱动各气动执行元件,实现预定动作。其中压紧气缸、升降气缸、基座扭转气缸是通过各自的三位五通阀来控制,实现各气缸能够停止在需要的位置上。在手爪部,通过梭阀对二位三通阀和手控阀进行选择,实现对夹持气缸自动和手动的控制选择。此外,各气缸进、出气口都安装有节流阀,能够实现对气缸运动速度的控制;电磁阀的出气口都装有消声器,可以减少压缩气体对环境的噪声污染。
  
  四、机械手的电气控制设计
  
  采用PLC作为控制器,可以简化控制线路,降低故障率。根据机械手的动作要求以及气动控制原理,其电气执行元件(各种电磁阀)采用直流24V,并设置安全指示灯,以便安全可靠。
  根据动平衡校正工艺过程可知,机械手控制系统需要如下输入信号:检测机械手升降(2个)、手爪开闭(6个爪共12个)、压紧转子(2个)以及整体旋转运动状态信号(1个),共计17个;另外根据系统控制的要求,需要START(开始)和RESET(复位)2个信号,STOP(停止)信号1个,系统运行方式的AUTO/MAN(自动/手动)选择信号2个;共22个输入信号。
  系统需要输出信号:有7个输出信号用来驱动4个气缸的电磁阀;有1个输出信号用来控制电磁阀,以控制整个气动系统的通断;有2个输出信号用来控制显示工作状态的START、RESET信号灯;共计10个输出信号。
  6个机械手只需要32个开关量控制,不需要模拟量变换和存储,并且对PLC的扫描速度及其他方面无特殊要求。因此选择德国西门子公司生产的S7200 PLC。S7200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC,其许多功能达到大、中型PLC的水平,而价格和小型PLC一样。选择S7200系列CPU226[4],它共有24点输入、16点输出,内设充足的计数器、定时器及各种辅助继电器等,具有较强的数据处理和通信能力,指令功能丰富,抗干扰能力强,可以满足控制要求。
  
  五、机械手的控制软件设计
  
  采用西门子S7-200 STEP 7-MincroWIN V4.0软件进行编程,该软件功能强大可实现测试、在线编程、运行诊断等多种功能,并具有友好的用户界面。它支持梯形图、指令表、顺序功能图等多种编程语言。由于6个机械手是联动的,且动作过程是顺序动作,每一步均是在前一系列动作完成的基础上,再进行下一系列的操作,而顺序控制指令(STL)是PLC厂家为用户提供的可使功能图简单化和规范化的指令,所以选用顺序控制指令进行编程。编程思路:在编程时应首先考虑6个机械手的各个输出状态,然后把与每一个输出动作有关联的各个输入器件的状态列出来,并且要考虑系统控制的具体要求,如当按下STOP按钮,应运行完该工作周期后马上停止工作,按下RESET,按钮可在下一个工作周期内复位。程序功能图经过调式,实验通过。
  
  六、结束语
  
  本文设计的机械手群控系统采用PLC控制,具有结构简单,控制准确、可靠性高、生产效率高、抗干扰能力强、自动化程度高等特点,对其他行业上机械手群控系统具有借鉴意义。
  
  参考文献:
  [1]杨克己,动平衡数控去重系统及其关键技术的研究[J].机电工程,2005(5):4-8.
  [2]于传浩,章涤峰,一种气动机械手夹持机构的设计[J].液压气动与密封,2003(10)27-28.
  [3]于洋、陈乃件、徐霞,基于PLC的气动炸药搬运机械手研制[J].液压与气动,2007(1):60-62.
  [4]王永华、陈玉国等,现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
  [5]季明善,液气压传动[M].北京:机械工业出版社,2002.
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