气动安装机械手的PLC控制

0 引言

气动机械手作为机械手的一种，具有结构简单、重量轻、动作迅速、工作可靠、节能和环保等优点而被广泛应用。气动安装机械手主要用于完成以下功能：选择要安装的小工件，从料仓中推出来，并用吸盘吸住安装到大工件中。

1 气动安装机械手的结构和工作原理

气动安装机械手的结构示意如图1所示。系统主要组成部分有：上料模块和安装模块。

图1 气动安装机械手的结构示意图

上料模块主要由2个圆桶料仓、推料装置、料仓平移气缸和支架组成。上料模块主要用于依次将2个料仓中的工件2推放到吸料工作台上，等待吸盘机械手取料。在两个气缸的两端都安装有磁性开关，分别用于判断两个气缸运动的极限位置。推料气缸和平移气缸的配合靠延时来实现。

安装模块主要由真空发生器、吸盘、机械手、翻转气缸和翻转装置等组成。真空吸盘用于抓取工件2。吸盘内腔的负压（真空）是靠真空发生器产生的。安装模块工作过程：吸料→机械手向前翻转→安装（放料）→机械手向后翻转。

2 气动控制系统设计

气动安装机械手的气动控制回路如图2所示。

气动系统由气源、气动三联件OZ、电磁阀、节流阀、真空发生器和各种气缸组成。气源工作压力：最小6bar，最大8bar。翻转、平移换向阀采用二位五通双电控电磁阀，推料、吸料电磁阀采用二位五通单电控电磁阀。电磁阀均选用AIRTAC公司型号为4V110-M5的产品。气缸选用SMC公司的产品，翻转气缸1A选用CDM2B20-45型，平移气缸2A选用CDJ2B16-60-B型，推料气缸3A选用CDJ2B10-60-B型。为了使各执行元件运动平稳，各气缸2个气口装有单向节流阀。翻转前限/后限、平移左限/右限、推料伸限/收限的行程位置用气缸开关检测，气缸开关选用SMC公司的D-C73产品。真空发生器选用SMC公司的ZU07L型。

图2 气动控制回路

3 电气控制系统设计

3.1 PLC选型与I/O接口分配

PLC是气动安装机械手的核心控制器。根据控制要求分析，PLC的输入信号有：起停控制信号3个，位置检测信号6个，联络信号2个，共11个开关量输入信号；输出信号有：电磁阀控制信号6个，与前站的联络信号各1个，共7个开关量输出信号。输入输出信号的具体作用和地址分配如表1所示。继电器和电磁阀的线圈均为DC24V。选用三菱FX2N-48MR型PLC，24点直流输入，24点继电器型输出，并向外提供24V直流电源，完全可以满足控制要求。

表1 气动安装机械手PLC的I/O地址分配表

气动安装机械手接受的通讯信号有两个：一个是大工件1放好在安装平台上，安装机械手接受到的安装请求信号4C5A；一个是安装好的工件从安装平台被取走后，安装机械手接受到的搬取结束信号4C5B，用于实现安装机械手复位。

气动安装机械手的通讯输出信号通过中间继电器来实现隔离。继电器K1用来传送气动安装机械手安装完毕、允许其他机械搬取工件的信号。

3.2 PLC控制程序

1）控制功能要求

气动安装机械手控制系统分为单站控制、联络控制和停止控制三种控制功能。

单站控制。初始时吸盘下有工件2，推料气缸、翻转气缸处于收回状态，平移动气缸可以在左或右位置。按下单站起动按钮SB1，安装模块完成依次完成如下动作：吸盘吸料→翻转气缸向前翻转→工件2被搬运到安装工作台→吸盘放料→延时→机械手向后翻转。工件2被吸取走后，上料模块主要完成以下动作：推料和更换料仓。推料完毕后，吸盘机械手才能向后翻转，回到原位。如果没有停止信号，气动安装机械手按照以上过程循环进行。此时，要注意安装工作台的工件要及时取走，否则容易损坏机械。

联络控制。当工件1被放置在安装工作台且安装搬运机械手离开后，气动安装机械手位于初始状态时，按下联络按钮SB2，气动安装机械手按照单站控制方式下的要求，完成一次工件2的上料和安装任务。如果没有停止信号，气动安装机械手在下一个工件1放置好后，自动进入下一工作周期。

停止控制。任何时候按下停止按钮SB3，控制系统在完成当前工作周期后停止工作。

2）工艺流程

按照上述控制要求，绘制气动安装机械手的工艺流程如图3所示。气动安装机械手的控制流程比较复杂。起动系统，进入安装等待步；单站方式或联络方式下有安装请求信号来后，吸料，吸料机械手向前翻转。放料控制和上料控制分支流程同时进行。上料控制分支流程又有左料仓上料和右料仓上料两种选择。上料完毕，吸料机械手向后翻转，此时气动安装机械手的机械返回到了原点。

图3 安装机械手PLC控制工艺流程图

为了能使程序流程不出错，必须使程序的步进状态也要正确地返回原点。在S27步，发送安装完毕信号后，用第4站的联络信号——搬取结束信号4C5B作为程序步进状态返回原点的转换条件。

PLC的程序用步进指令编程实现，控制程序分为：安装等待、吸料、机械手前翻、安装、安装结束等待、推料、料仓判断、料仓左移或右移、上料结束等待、机械手后翻、发送联络信号及复位等待，加上初始步共13步动作。单站控制方式和联络控制方式的程序共用。在安装等待步，如果是单站工作方式，则延时后进入下一步，如果是联络工作方式，则等待安装请求信号，信号有效时，才进入下一步。为了避免两种控制方式冲突，在步进控制程序外的控制方式选择程序中，需设置两种控制方式的互锁。

4 结束语

气动安装机械手是较复杂的一个控制系统，主要体现在它的机械动作复杂，电气控制联锁关系较多。采用PLC对气动安装机械手进行自动控制，既解决了本系统上料模块和安装模块、推料气缸和平移气缸之间的互锁关系，也解决了本系统与其他机械单元之间的协同作业，很好地实现了气动安装机械手的上料、吸料、安装和联络等功能。控制系统经过运行调试，设备动作顺畅、性能稳定、可靠性高。