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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.
[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.