PLC旋转搬运系统设计研究

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摘要：在生产过程中，随着科技的进步，工业机械手已经频繁出现在工业生产中，将工件进行分拣，然后放置到不同位置进行加工或包装。本系统就是基于这样一种需求的一个项目设计，完成的任务是对物料进行搬运及转移。传统的机械手臂的运动无法预知被控量与实际量的误差，本设计改变传统的旋转气缸控制为步进电机控制，有效提高了手臂的运动精度。系统的运行过程通过plc来完成控制。

关键词：机械手；步进电机；PLC

1系统说明

1.1概述

机械手控制方式采用气压传动，利用PLC程序来控制机械手的运动从而实现物料的搬运。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三部分组成。由于气动机械手有结构简单、易于实现无级调速、易实现过载保护等优点，其正在向重复高精度、模块化、机电一体化方向发展，广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。但传统的机械手采用旋转气缸控制，误差大精度低，本设计中采用步进电机控制机械手的旋转，大大提高了运行精度。系统整体结构如图1。

1.2系统特征

本系统具有如下一些特征：①模块化。本系统包括加载/卸载模块、旋转模块、PLC模块和阀门模块。组装比较清晰明了，机械构建比较简单。②快速设置和更新。本系统采用PLC控制，程序易于更改。硬件设施易拆建，有利于系统实现更新换代，不断向更高的方向发展。③重量轻。该系统架构采用铝制材料，比较轻便，利于一些实验场合的搬运等，同时也可节约存放空间。④改进后的步进电机控制运行精度更高，定位更准确，噪声大大的降低。

1.3步进电机原理、特点及选型

1.3.1步进电机的原理步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的执行机构。由于受脉冲的控制，转子的角位移量和速度与输入脉冲的数量和频率成正比，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过改变输入电源的相序，达到改变电机旋转方向的目的；通过控制脉冲频率开控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

1.3.2步进电机的优点①步进电机动态响应快，易于启停、正反转和变速；②步进电机角位移与输入脉冲数严格成正比，误差小；③速度调节平滑，低速下仍能保持较大转矩。

1.3.3步进电机的选型项目设计时，步进电机的选用需要考虑电机的转矩必须符合负载运动转矩、转速、输出功率的要求。负载转矩主要有计算法、试验法、类比法三类方法。计算法需要大量复杂的公式计算，应用较少；试验法误差较大，操作方法是在负载上加个杠杆，然后用弹簧秤去拉杠杆，负载转动时的拉力乘以力臂长度就是负载转矩。通过对步进电机负载质量、运动速度、机构设置等方面的比较，进而来选择电机。步进驱动器有整步、半步、细分三种驱动模式。细分具有低俗振动小和定位精度高的优点，所以本设计采用细分驱动。

2项目构成模块

2.1加载/卸载模块的工作过程

每个部分的单元将执行下列动作：①横向气缸可以作Y轴的横向移动。②垂直气缸可以带动机械夹子垂直向上和向下移动。③水平将带动夹子作横向X轴运动。④转角夹子可以抓起搬运对象。整个模块的工作过程如下：PLC控制横向气缸将需运送的送料从进料口转移至机械夹子下方，再通过垂直气缸使夹子接近物料，并夹起物料，垂直气缸将物料升起，此时再通过水平气缸将物料搬运至转盘位置，垂直气缸将夹子下放并松开，放下物料。这样就完成了将物料从原先位置搬运到转盘上的动作。

2.2模块上的组件（如表1）

2.3PLC模块

本系统的控制对象是各类型的气缸，要求控制线路简单明了，抗干扰能力较强，需要控制五个气缸，控制方式采用手动/自动转换，输入口需要14个，输出口需要11个，系统工作环境要求PLC体积较小，工作性能稳定。权衡各类控制器，选择使用三菱FX3U-48MPLC来实现控制。PLCI/O分配。分析完项目的流程进行I/O分配，具体分配如表2所示。

2.4阀门模块

从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。

3机械装调

该系统所有的模块需要严格按照标准安装调试，具体有皮带输送机及机架、工件分拣装置、机械手、圆盘、警示灯等，安装前应清点工具及器材，检查相关部件，清扫安装平台，认真阅读工作任务书与安装图，明确安装尺寸的要求，安装完成后要进行调试。安装精度要求输送机、接料口高度差不能超过±1mm，调试要求：调试过程不能用手接触带电部分和运动的机械部件，各个模块部件能平稳运行，能够实现任务中要求的各种运行功能并在规定时间内完成。

4步进电机控制机械手的计算

在分析机械手各个轴运动的基础上，进行步进电机的脉冲数、脉冲频率的计算，从而设置步进驱动器的参数。同步皮带轮和皮带来控制X轴的运动。步进电机带动驱动轮控制皮带运转。驱动轮的外径为D，移动距离为D1，要求时间为2s，电机的步距角为1.8°，细分数是4，则X轴脉冲当量为0.005mm/PLS，脉冲数为P=X/0.005PLS，频率为2600HZ。参数SW1、SW2、SW3主要控制输出电流，均置为OFF。电机停止时，X轴置于水平位置，驱动器用半流让电机锁住，减少发热，SW4置为ON。Y轴驱动为丝杠加螺母副。丝杠的螺距为4mm，步距角为1.8°，细分数是4，最大的速度为13mm/s，实际前进为X，脉冲当量为0.005mm/PLS，脉冲数为P=X/0.005PLS，频率为2600HZ。参数调成SW1-ON、SW2-ON、SW1-OFF，Y轴为水平位置，为了减少发热，SW4置为ON。Z轴的设置同Y轴设置相似，SW5-ON、SW6-OFF、SW8-ON。

5程序设计

5.1设计思路

从控制要求分析可知，本系统具有以下功能：供料、搬运、卸载、急停，从它的控制要求分析可知，本系统装置中的基本动作都是顺序控制，因此在动作设计时既可采用基本指令实现动作，也可采用三菱PLC的步进指令作为设计导向。它的整个控制过程如下：系统通电后，电源指示灯亮，打开自动选择开关，按下启动按钮，工作指示灯亮，横向气缸先伸出，在供料区收取物料后缩回，垂直气缸伸出，机械夹子夹紧，夹起物料。水平气缸伸出，将物料送至转盘位置，机械夹子松开，放下物料，步进电机停止，水平气缸复位。同时紧凑型气缸至位，步进电机运行，带动转盘旋转90度，紧凑型气缸复位，步进电机停止，系统恢复到原始状态，并开始下一个循环。

5.2系统调试

系统调试前，需要判断系统各硬件部分是否能正常工作。首先判断各限位传感器是否工作正常，将24V电源接通推拉气缸，将水平和垂直气缸置位或复位来检测传感器，气缸到位传感器灯亮，则工作正常，如灯不亮则对应接线图检查传感器接线是否正确。其次检查各电磁阀是否正常，手动控制电磁阀开关，检查气缸的运动。若气缸不运动，则对照气动连接图检查气路是否连通，或是检查电磁阀接线是否正确。检查步进电机的参数是否设置正确，并进行电源等的检查。最后，对照PLC接线图检查电气连接线路是否正确，检查空气是否泄漏和空气压力的气动连接是否准确。然后打开手动/自动开关，让系统自动运行，观察工作指示灯是否点亮，判断各个气缸工作顺序是否正常，系统能否将物料进行搬运，转盘是否能正常运转。

6项目总结

本次项目设计针对气动传动系统的特点，搭建了由三菱PLC为控制核心的旋转搬运系统。通过对该气动传动装置的设计、装配以及程序设计，实现了在PLC控制下的气缸顺序动作控制，完成了以气动系统作为主要的动力源实现物料的搬运和分拣操作。使笔者更加深入理解气动回路的设计方法以及熟悉PLC控制的工作原理。本次设计中利用步进电机控制机械手的运行，克服了传统旋转气缸控制中运行精度低、稳定性差的缺点，能实现机械手搬运物料较平滑的控制，但是还有许多有意义的工作没有深入进行，主要有以下几点：①继续深化新的工作原理的研究，并将其完善，扩展到其他类型的气动控制系统。②继续改进实验方法，使得实验数据更准确。③讨论其他控制方法在机械手中的应用，提高控制的精确性。

参考文献：

[1]人力资源和社会保障部教材办公室组织编写，PLC应用技术[M].中国劳动社会保障出版社，2012.

[2]赵波，王宏远.液压与气动技术[M].机械工业出版社，2010.

[3]孙宝元，杨宝清.传感器及其应用手册[M].机械工业出版社，2004.

[4]张建民.机电一体化系统设计[M].北京高等教育出版社，2012.

[5]杨少光.机电一体化设备的组装与调试[M].广西教育出版社，2009.

作者：徐艳英 单位：江苏省睢宁中等专业学校