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机械手plc控制系统

   气动机械手作为典型的机、电、气一体化装置,以其结构简单、价格低廉、动作迅速、可靠性高、无污染、功率体积比高、抗干扰性强及维修方便等优点,广泛应用于自动化生产的各领域中,已成为大、中专院校PLC技术、气动技术、传感器技术等课程的实验教学内容。本文选用四自由度的教学用气动机械手,通过PLC控制系统设计,顺序完成气动机械手的各动作,同时能使学生理论结合实际,增强感性认识,满足实验教学与科技创新设计需求。

 
1 结构组成及工作原理
  1.1 气动机械手的结构组成
  机械手的结构图如图1所示,由机械系统、检测系统、气动系统和电气控制系统4部分组成,主要部件有旋转气缸、悬臂气缸、手臂气缸、气爪气缸、支架、悬臂、手臂及气爪。该机械手通过4个气缸分别控制4个自由度,立柱回转和手爪旋转,实现4个周向自由度的控制,手臂升降实现轴向自由度的控制,手臂伸缩实现径向自由度的控制。
 
  1.2 气动机械手的工作原理
  该机械手的任务是循环完成从圆盘抓取工件搬运至带输送机上。工作顺序为:初始位置开始→起动→悬臂伸出→手臂下降→延时0.6s→气爪夹紧工件→延时0.6s→手臂上升→悬臂缩回→机械手向右旋转→悬臂伸出一手臂下降一延时0.6s→气爪松开工件→延时0.6s→手臂上升→悬臂缩回一机械手向左旋转一返回初始位置一循环。
2 气动系统设计
  机械手的气动系统是驱动执行机构运动的核心装置,主要由气源、控制阀、气缸组成,控制机械手伸缩、上下、旋转和手爪的松紧动作,其原理图如图2所示。开始运行前,机械手手臂上升到位,机械手悬臂缩回到位,机械手左旋到位,气爪松开,机械手回至初始位置。运行时,首先起动空压机获得一定压力的气源;然后压缩空气经过气源组件,得到干燥过滤后的气体;最后气体通过PLC控制的二位五通电磁换向阀的接通管路,实现气缸的连续动作,完成机械手的搬运任务。各动作的具体工作顺序如下。
 
  伸:气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀A左位→快换接头→可调单向节流阀1→悬臂气缸左腔→机械手悬臂伸出到前限位传感器检测位X11处停止。
  缩:气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀A右位→快换接头→可调单向节流阀2→悬臂气缸右腔→机械手悬臂伸出到后限位传感器检测位置X12处停止。
  上:气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀B右位→快换接头→可调单向节流阀3→手臂气缸右腔→机械手手臂向上到上限位传感器检测位置X21处停止。
  下:气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀B左位→快换接头→可调单向节流阀4→
  手臂气缸左腔一机械手手臂向下到下限位传感器检测位置X22处停止。
  紧:气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀C右位→快换接头→可调单向节流阀5→气爪气缸右腔→机械手手爪夹紧到夹紧限位传感器检测位置X31处停止。
  松:气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀C左位→快换接头→可调单向节流阀6→气爪气缸左腔→机械手手爪松开。
  左旋:气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀D右位→快换接头→可调单向节流阀8→旋转气缸右腔→机械手左旋到限位挡块处停止。
  右旋:气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀D左位→快换接头→可调单向节流阀7→旋转气缸左腔→机械手右旋到限位挡块处停止。

3 电气控制系统设计
  PLC具有体积小、质量轻、抗干扰性强、可靠性高、使用方便、易于编程、价格低等优点,已替代传统的继电器电路,广泛应用于电气控制领域。该机械手的电气控制系统采用PLC进行控制,可很大程度上缩短控制系统的设计及调试周期。
 
  3.1 PLC选型及I/O接口分布
  由机械手气动系统原理图可知,该电气控制系统有起停控制信号2个,传感器位置检测信号7个,共9个开关量输入信号,8个电磁阀控制信号,8个开关量输出信号。考虑到机械手工作的可靠性及各控制元件连接的方便性与灵活性,根据控制系统需要的I/O接口数量、扩展能力及工艺要求,对PLC选用日本三菱公司生产的FX2N~32MR系列可编程控制器。该PLC具有16个输入点和16个输出点,可实现高速计数、定位控制等功能。I/O接口的分配见表1,PLC控制外部接线如图3所示。
 
  3.2 PLC控制程序软件设计
  可编程控制器编程语言包括梯形图语言、功能表图语言、布尔助记符语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等嘲。梯形图语言是应用最多的一种编程语言,最接近控制系统中的电气控制原理图。三菱FXGP-WIN-C编程软件,可实现在线通信、文件传送、操作监控及各种测试功能,支持梯形图、语句表和功能块图3种编辑器创建程序。
 
  本文使用FXGP-WIN-C编程软件的梯形图编辑器创建程序,PLC梯形图如图4所示。设计的梯形图采用步进指令,PLC运行后,初始脉冲M8002置位初始步进So,机械手处于初始位置;按下起动按钮SB5,机械手执行状态S20至S34共15个步进的控制指令,完成一次搬运动作;按下停止按钮SB6,机械手立即停止当前的搬运工作;再按下启动按钮SB5,机械手接着停止时所处的位置继续运行;最后以步进指令RET完成步进控制。
 
  初步运行试验证明,该试验用气动机械手能圆满完成搬运任务,其各项指标均达到预期要求。在电气控制方面,采用PLC软件编程不仅直观易理解,容易操作与修改;而且对其动作运行可根据设定情况随时进行调整,模拟各种生产线要求,具有很强的实用性。在课程实验教学和实训教学中,该项目综合利用多门课程知识,可满足学员对交叉学科的综合理解,取得良好的教学效果。
 
 

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