基于PLC控制的机械手设计

【摘 要】本设计采用PLC控制技术和气动技术，通过PLC控制器控制电磁阀的顺序开启，实现机械手的运动、控制工件的抓取和卸料，实现全自动生产。应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

【关键词】后定位器机械手；气动技术；机械结构；PLC控制

一、绪论

日照某公司冲压车间，现有一台xxx型冲床，专门用于生产后定位器部件。目前生产采用手工上料、手工压紧、冲压后半手工卸料。这种生产方式导致了该冲压件的生产质量很大程度上取决于操作人员的技术水平，且存在较大的安全隐患。

根据山东水利职业学院和该公司冲压车间合作，进行后定位器部件弯曲冲压冲床的自动上料技术改造。解决该冲床的，生产效率低，安全防护差，人员依赖强的缺点，实现设备的全自动，高效，安全运行的目的。

二、后定位器机械手系统的总体思路

（一）主要技术参数

后定位器机械手采用光机电气一体化技术，针对后定位器部件弯曲组装工序进行的技术改造，实现工件毛坯的自动上料与卸料。通过调研现场冲压机床的安装布局，发现后定位器机械手的结构除满足冲床的工作行程外，还要满足现有的模具空间要求。

后定位器机械手的主要要求如下：

工件不允许被磁化。

工件表面不允许被划伤。

保证坯料被放到正确的冲压位置。

生产效率比目前的手工操作要高。平均19件/分，约为目前纯人工上料操作的1.46倍。

运行安全可靠，能耗低，噪音小，绿色无污染。

实现后定位器机械手的自动控制。

（二）后定位器机械手系统整体框架

后定位器机械手主要由控制系统，驱动系统，执行机构和检测装置四大部分构成。其中，执行机构分别是完成工件上料、送料、卸料的带有接料盒的气动导轨、气动真空吸附机械手、提升板和推板。本设计是由气压来进行驱动。控制系统是以PLC为核心的控制器。控制系统采用闭环控制系统，保证了系统的精度。

综上所述，机械手控制系统整体框图1如下：

（三）后定位器机械手系统总体设计

当安装在冲床上的凸模开始向上运动做返回行程时，上料装置的气动吸盘迅速从带有送料板的气动导轨上吸取坯料，然后气动装置，沿双向导轨快速运动，通过行程开关使坯料能够准确到达冲床模具的冲压位置。吸盘将坯料放到冲压模具的凹模上时，通过六个定位销进一步定位，并且，吸盘运动到使坯料接触凹模上表面后才松开坯料，这样保证了坯料能够放平，准确地定位。在坯料到达模具冲压位置之前，安装在送料装置前端的卸料装置已将上一个已加工好的工件推到卸料槽内，工件靠重力滑落到工件箱内，自行完成卸料。

系统的主要特点如下：

1.采用无损、无磁化的柔性多功能真空吸盘抓料手；

2.采用双轨导向、重力落料的自动定位贮料装置；

3.采用高精度的双导轨导向机构，确保取料、送料和放料的精度；

4.通过取料板上的特制模腔与贮料装置的准确配合，实现料片的连续、准确、单一的提取。

5.系统具有自动检测料片有无报警装置，并且可以实现准确定位。

（四）后定位器机械手系统组成

后定位器机械手主要由机械机构与控制系统两大部分组成，如图2所示。机械机构主要包括取料装置与卸料装置，如图3所示。控制系统采用PLC技术，通过自动控制装置，使各种装置按照一定的顺序和时间间隔发生动作。控制送料的时间与冲压行程之间的满足规定的协调关系，保证一定的生产率和运动时间的准确性，不允许有超前或迟滞现象。

1.上料机构设计方案

后定位器机械手的送料机构主要由取料装置与送料装置组成。其中，取料机构用来完成坯料的单一提取，送料装置完成坯料的吸取、坯料的输送与定位工作。取料装置完成每次从坯料盒中自动取下一件坯料，并通过导轨传动和行程开关的作用，将坯料停放在吸盘的工作位置。然后送料过程开始，通过送料装置，将坯料准确输送到冲压工作位置，为冲做好准备。如图4所示。

2.取料装置设计方案

取料装置，主要由气动装置、坯料盒（贮料装置）、接料盘、导轨、限位装置等部分组成。通过取料装置把料片送到周转工位。

由于料片的不规则，最终确定了取料装置的机械设计。它主要由坯料盒（贮料装置）和带接料盘的取料板两部分组成。

三、PLC控制器的设计原则及其选型

（一）PLC的型号确定

本文中机械手控制系统选用的是S7―200系列中的CPU224的型号。该型号PLC集成的数字量输入/输出为14入10出共24个数字量I/O点，可以很好的满足本设计控制系统中的11个输入9个输出共20个数字量的要求。

（二）PLC控制器的I/O点分配

根据机械手动作流程分析及PLC的I/O点数，可以确定电气控制系统的I/O点分配，根据I/O点分配表可以画出PLC的外部接线图如图6所示。

（三）后定位器机械手控制程序设计

1.控制流程图设计

采用PLC对机械手进行控制，首先要明确机械手的工作要求和运动规律，当机械手的动作流程发生改变时，只需要改变PLC程序即可实现。按照机械手的控制要求，合理画出机械手的运动流程。设定取料板到达坯料盒下方的位置（进行取料的位置）为取料终止位、取料板到达上料手取料的位置为取料初始位、上料手要进行下降吸料的位置为上料初始位、上料手要进行下降放料的位置为上料终止位、上料手上升停止的位置为上限位、上料手下降停止的位置为下限位，后定位器机械手控制主流程图如图7所示。

2.PLC程序设计

后定位器机械手控制系统的主程序设计如图8所示，其中包括取料板取料复位子程序，上料手复位子程序，上料手送料子程序。

四、结论

本文综合利用光机电气数一体化技术，采用数字化软件及虚拟样机设计技术和PLC控制技术，完成了后定位器机械手系统的设计与研发。设计开发的后定位器机械手系统具有技术含量高，制造成本低，设备的附加成本低，安全、节能、环保等优点。通过后定位器机械手的现场安装调试，无需对现有的车间设备布局进行调整，无需对现有的冲压机床设备进行结构改变，提高了生产率，实现了冲压生产的自动化水平，提高了定位精度，降低了企业制造成本。

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作者简介：

尹盛莲（1979-）女、四川广安人、硕士研究生、讲师、山东水利职业学院、主要从事机电类教学工作。

国磊（1979-）男、山东淄博人、硕士研究生、讲师、山东水利职业学院、主要从事机电类教学工作。