李小燕 齐峻
银川能源学院机械与汽车工程学院 宁夏 银川 750100）
摘要：本文针对机电一体化教学的要求而研发了气动搬运机械手实训装置中的PLC控制系统。介绍了气动机械手的结构、工作原理、控制要求，采用了单控电磁阀和单向气缸配合控制的气路结构，建立了机械手控制系统组成框图，提出了控制系统的运动方案，分析并选择了合理的PLC型号，设计了PLC的工作工程流程图。可以实现对该机械手行程范围内任一位置物体的抓取、移动、存放功能。经实验验证，该机械手控制方便、定位准确。实际应用中可根据需要修改机械手动作流程，方便实用。
关键词：气动；搬运机械手；PLC；控制系统
基金项目：银川能源学院科研项目（2018-KY-C-07）
作者简介：李小燕（1980- ），女，宁夏吴忠人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：机电一体化产品设计及自动化控制的教学与研究工作。
1.引言
机械手是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物件传送或操作作业的机械装置，它能部分地替代人的手工劳动[1]。随着科学技术的发展，现在机械手已经趋于智能化，可以完成很多相对复杂的作业。特别是在有毒的、易燃易爆等恶劣环境内，得到广泛应用。搬运机械手具有自动化程度高、动作灵活的特点，替代人工作业，加快了生产节拍，大幅度地提高了制造企业的生产效率和产品质量。工业上用的搬运机械手体积较大，价格昂贵。为了满足教学上的需要，设计一种小巧、灵活控制的小型搬运机械手具有重要的意义。
本文结合我校智能测试实验室的建设，设计了多工位搬运机械手。该机械手由微型电机驱动实现远程移动，由气动手指、旋转气缸和直动气缸驱动实现物料的抓取和定位摆放的功能。
2.机械手实训装置的结构及工作原理
机械手实训装置由实训桌、旋转底座、气动部分、手爪、三维运动机械、电气控制、工件及物料台等八部分组成。气动部分由电磁阀和汽缸组成；三维运动机械部分采用滚珠丝杠传动和齿轮传动相结合的模块化结构，由步进电机及驱动器、气动手爪等组成。具备底盘旋转、手臂升降、手臂伸缩、手抓旋转等多个自由度控制的功能，可实现在一定范围内物体的抓取控制，用于实现定位功能。
3.气动机械手控制要求
（1）电气控制电路组成
本系统电气控制部分集电源控制模块、按钮模块、可编程控制器模块、步进电机模块等于一体。系统采用开放式设计，扩展性强，提供的PLC实训内容全面、丰富，锻炼学生的实际动手能力，整个实训过程简单、明了、易懂、易学。
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控制系统相当于机械手的大脑，不仅可以让机械手按照设定的工作要求动作，而且可以对机械手的动作进行修改，一般来讲分为点位控制系统和连续控制系统两种。机械手各部分系统之间的相互关系如方框图1所示。
（2）气动原理及气动回路原理
气动执行元件部分气动手爪，气动手爪控制如图2所示。图中手爪夹紧由单
向电控气阀控制，当电控气阀得电,手爪夹紧，当电控气阀断电后，手爪张开。
气动控制元件部分单控电磁阀。单向电磁阀（如图3）用来控制气缸单向运动，实现气缸的伸出、缩回运动。与双向电磁阀的区别在双向电磁阀初始位置是任意的，可以控制两个位置，而单向电磁阀初始位置是固定的，只能控制一个方向。
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气动回路原理如图4所示。
输入电源：单相AC220V±10%，50Hz；气源：0.55Mpa～0.8Mpa；工作环境：温度-10℃～40℃；相对湿度≤85%（25℃）海拔＜4000m。
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4.PLC控制系统的设计
（1）选择合理的PLC型号
迄今为止国内外生产可编程控制器的企业有200多个，但总体来讲比较具有规模的主要有一下这些：美国的通用、AB公司，德国的西门子公司，日本的欧姆龙、三菱公司，韩国的LG、三星公司以及法国的TE公司等。本实训装置PLC可选用西门子或三菱或欧姆龙系列的可编程控制器，其中西门子主机为CPU224 DC/DC/DC，共24点，内置数字量I/O（14路数字量输入/10路数字量输出），能够完成7个模块的扩展功能，并且具有内置的时钟。
（2）PLC I/O口分配
详见表1。
表1 I/O口端子分配和功能
序号 PLC地址 功能说明
1 I0.0 基座原点
2 I0.1 气夹右限（正）
3 I0.2 气夹左限（反）
4 I0.3 编码器脉冲
5 I0.4 X左限
6 I0.5 X右限
7 I0.6 Z上限
8 I0.7 Z下限
9 I1.0 复位
10 I1.1 启动
11 I1.2 停止
12 I1.3 急停
13 Q0.0 X脉冲
14 Q0.1 Z脉冲
15 Q0.2 X方向
16 Q0.3 Z方向
17 Q0.4 YV-气夹
18 Q0.5 基座正转
19 Q0.6 基座反转
20 Q0.7 气夹正转
21 Q1.0 气夹反转
（3）程序设计
1.运动方案
a.设置X、Z轴的步进驱动器M415B、3ND583的驱动细分及电流。
b.控制程序具有“复位”、“启动”、“停止”及“急停”功能，黄色按钮为“复位”、绿色按钮为“启动”、红色按钮为“停止”。
c.按下“复位”按钮，机械手基座正转返回原点，气夹正转至原位（右限位传感器有信号），同时X、Z轴运动至零点（先向左、向上运动至限位开关，再向右、向下运动一段距离作为零点），复位完成。
d.复位完成后，按下“启动”按钮，机械手按下述流程动作：
机械手先运动至1号物料台位置，完成工件抓取；取出工件后，往2号物料台位置运动， X运动到位后手抓反转90度，机械手下降，将工件搬运至2号物料台上，机械手返回零点，过2s机械手再次运动到位后抓取已加工的工件，并把工件搬运至3号物料台；完成后机械手复位返回原点，一个工件的工作周期完成，再次按“启动”按钮，可再次搬运工件。期间机械手的动作过程为：X先向右前升，到位后Y轴下降；返回时，Z轴先上升，到位后X向左返回零点。
e.机械手在运动过程中，按“停止”按钮，机械手立即停止,按“启动”按钮，
机械手继续下一步动作。
f.在机械手运动时，按下“急停”开关机械手立即停止，此时如需再次运行机械手，需亲手将本次搬运途中掉下的工件拿到1号物料台，再按“复位”按钮复位完成后，按启动可重新运行。
2.流程图
常用PLC梯形图逻辑设计方法较多，设计中我们采用流程图法，按照搬运工件过程设计出控制系统流程图如图5所示 。
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5.结论
本文介绍的基于PLC的气动搬运机械手实训装置是针对机电一体化教学的要求而研发的，集PLC、步进电机、直流电机、气动、三维位置控制技术于一体的教学实训系统。通过传感器信号采集，PLC编程，对步进电机、直流电机、电磁阀进行较复杂的开关量控制、位置控制、时序逻辑控制，实现对机械手行程范围内任一位置物体的抓取、移动、存放功能。通过不同控制程序的编写训练，可培养学生的复杂动作编程能力、全局思考能力、安全意识、效率意识。经实验验证，该机械手控制方便、定位准确。实际应用中可根据需要修改机械手动作流程，方便实用。
参考文献：
[1]郭益友.工业机械手在机械制造工艺中的发展及应用[J].淮南职业技术学院学报，2002,2（01）：36-38.
[2]王红梅 方贵盛.基于PLC与步进电机的气动搬运机械手控制[J].液压与气压，2009（11）：25-27.
[3]吕明珠 高瑞.小型气动搬运机械手的控制系统开发与设计[J].机械设计与制造，2016（11）：215-217.