基于PLC的液压搬运机械手设计

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2009年 8月 第 37卷 第 8期 机床与液压 MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS Aug12009 Vol137 No18 DO I: 10. 3969 / j1 issn11001 - 3881120091081033 收稿日期 : 2008 - 08 - 08 作者简介 : 李明 (1955—) , 女 , 高级工程师 , 教授。电话 : 0371 - 68253416 ( H ) , 0371 - 68252165 (O ) E - mail: lim ing @ zzia1edu1cn。 基于 PLC的液压搬运机械手设计 李明 , 栗全庆 (郑州航空工业管理学院 , 河南郑州 450015) 摘要 : 介绍了一种应用于加工生产线的搬运机械手。根据用途分析了机械手的动作循环及工作原理 , 设计了机械手的 结构、液压系统及 PLC控制电路。该机械手结构简单 , 运行平稳 , 精度满足工作要求 , 其液压系统和 PLC控制系统简单可 靠。 关键词 : 机械手 ; 液压系统 ; PLC 中图分类号 : TP241　　文献标识码 : B　　文章编号 : 1001 - 3881 (2009) 8 - 099 - 3 D esign of the Hydraulic Convey ing M an ipula tor Ba sed on PLC L IM ing, L IQuanqing ( Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou Henan 450015, China) Abstract: A conveying manipulator used in the machining p roduction line was introduced. According to its use, the operating cycle and the working p rincip le were analyzed. The structure, hydraulic system and PLC control circuit of the manipulator were designed. The manipulator structure is simp le, the operation is stable, the p recision satisfies the work requirements. The hydraulic system and the PLC control system are simp le and reliable. Keys: Manipulator; Hydraulic system; PLC 0　概述 作者所设计的工业机械手 , 用于实现某加工生产 线上零件的上料与卸料。该生产线如图 1所示 , 工件 及随行夹具采用步伐式输送带实现各机床间的自动输 送。搬运机械手 1、2分别位于生产线两端的上料和 卸料工位 , 用以实现工件的自动装卸。 图 1　生产线布局图 1　机械手的结构及工作原理 搬运机械手 1 (上料 ) 的部件结构和动作原理与 搬运机械手 2 (卸料 ) 相同 , 下面以卸料机械手 2为 例介绍其结构及工作原理。 该机械手是圆柱坐标型 , 具有 2个自由度 , 其控 制定位方式为多点位控制 , 驱动方式采用液压传动 , 手指具有夹紧、放松的功能 , 手臂具有伸缩、回转的 功能。 111　机械手的结构 图 2是卸料机械手的整机结构示意图。该机械手 由大臂 1、立柱 2、底座 3、手爪伸缩油缸 4、小臂升 降油缸 5、大臂支撑装置 6、大臂回转油缸 7和手爪 8 等部件所组成。机械手的手部采用的是三爪内撑式结 构 , 手爪的伸缩是依靠与手爪伸缩油缸活塞杆相联接 的锥面推杆的上下运动而实现的。机械手的小臂升降 油缸是双活塞杆油缸 , 并且与手爪伸缩油缸嵌套在一 起。机械手大臂的回转是依靠带齿条的无杆活塞油 缸 , 通过齿轮机构并外加一个支撑滚轮结构来实现 的。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 2　机械手总图 112　机械手的自动工作循环 卸料机械手工作循环如下 : 当自动线零件输送带 将工件及其随行夹具送到卸料工位 , 并且夹紧机构松 开工件后 , 控制系统发出指令 , 使卸料机械手的小臂 升降油缸 5将手部下降到取料位置。当手部上的定位 压盘在零件上部定位后 , 手爪伸缩油缸 4的活塞杆连 同锥面推杆下移 , 使内撑式手部的 3个手爪 8深入到 工件内的空槽中 , 工件夹紧。小手臂升降油缸 5上 升 , 将工件提起到设定高度 , 大手臂回转 110°, 小 手臂升降油缸 5下移 , 将工件准确地放到卸料台上。 手指缩回将工件松开、小手臂上升 , 大手臂反方向回 转 110°复位 , 一个工作循环结束。 2　液压系统的设计 图 3　机械手液压原理图 机械手的驱动系统采用全液压驱动 , 保证了整机 动作迅速、平稳 , 特别是满足了机械手小臂升降和大 臂回转的动作精度要求 [ 1 - 2 ]。在机械手的工作过程 中 , 小臂升降频繁 , 为了节省能量 , 减少系统发热 , 故而在液压系统中采用双联叶片泵 [ 3 ]。如图 3所示 , 当系统需小流量时 , 由泵 1供油 ; 当系统需要大流量 时 , 由泵 1和泵 2同时供油。卸料机械手不工作时 , 打开安全阀卸荷。在该系统中 , 机械手的运动可通过 调节调速阀来获得不同的运行速度。各油缸的换向 , 由 3个二位五通电磁换向阀实现。 3　控制系统设计 随着计算机技术的发展 , 可编程控制器 PLC迅 速地发展了起来 , 改变了工厂自动控制系统的面貌。 比起继电器控制 , PLC具有可靠性高、抗干扰能力 强、控制程序可变、无限触点数、编程简单、扩充方 便、体积小等优点 , 所以它正在逐步取代传统的继电 器接触式的控制 [ 4 ]。 卸料机械手的控制 , 是通过开关信号来实现的 , 即按机械手的动作要求 , PLC通过信号采集 , 控制液 压系统的电磁换向阀的通断电 , 实现机械手的自动工 作循环和对机械手各个动作的点动控制。在卸料机械 手的电气控制系统设计中 , 采用的是三菱公司 F1系 列 PLC可编程控制器 , 该编程器可实现离线及在线 编程 [ 4 ] , 还可以结合实际的工作要求 , 调整控制程 序 , 实现机械手的不同动作。 当自动生产线在自动工作时 , 机械手控制箱上的 ·001· 机床与液压 第 37卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 旋钮开关处于自动状态。机械手在开始工作前的原始 状态为大手臂处于 “转回 ”原点位置 , 小手臂处在 “上端”位置 , 手指是 “缩回”状态。即机械手准备 下来抓取位于自动线上的随行夹具上的零件。 机械手的动作执行过程如下 : 系统启动 , 机械手 处于等待状态 , 当获得取料信号 , 机械手开始动作 , 从原点出发按自动循环工作 , 直到接受停止信号 , 机 械手在完成最后一个周期的工作后 , 返回原点 , 机械 手自动停机。 311　卸料机械手的动作 机械手用于位置检测的是 3对行程开关 , 分别是 LS2—LS7, 且分别对应 6个输入点 X2—X7。机械手 整个运动过程有 8个动作 , 其中有 2个重复 , 所以需 要 6个动作指令 ( Y31—Y36)。卸料机械手的动作流 程如图 4所示。 图 4　机械手的动作流程图 312　机械手 PLC控制电路 图 5　机械手 PLC控制电路梯形图 根据卸料机械手的自动工作循环可知 , 机械手的 每一个动作都应该严格按顺序执行 , 因此 PLC的自 动控制程序采用步进指令编写 , 这样可保证机械手的 运行按照设定的顺序有条不紊地进行。图 5为机械手 PLC控制电路梯形图。 在梯形图中 , 移位寄存器 M100—M117中的每一 个辅助继电器分别代表每一个工步。M100 = ON代表 的是原点工步 , M101 =ON代表的是小臂下降运动等 等。M100 =ON的条件是满足原点检测位置LS7 (X7) 和 LS4 (X4)均接通 , 并且不进入以下其他任何工步 , 即 M101、M102直到 M109均为 OFF。而原点工步要 转入小臂下降运动工步即 M101 =ON必须满足位移条 件 PB1 (X1)接通。其他工步类似。 4　结束语 工业机械手是先进制造领域不可缺少的自动化设 备 , 应用越来越广泛。经应用实践表明 : 该机械手机 械结构简单 , 工作平稳 , 精度可靠 ; 该机械手的液压 系统运行稳定 ; 采用了 PLC控制 , 简化了电气控制 系统 , 使机械手工作更稳定、可靠、灵活 , 工作效率 明显提高。 参考文献 : 【1】胡胜海. 机械系统设计 [M ].哈尔滨 :哈尔滨工业大学出 版社 , 1997. 9. 【2】冯辛安. 机械制造装备设计 [M ]. 北京 :机械工业出版 社 , 2006. 3. 【3】蔡自兴. 机器人原理及其应用 [M ]. 长沙 :中南工业大学 出版社 , 1998. 9. 【4】王兆义. 可编程控制器 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2000. 10. (上接第 98页 ) 液压站工作效率。 ( 4) 密封圈受力状况改善 , 提高 了活塞杆及密封圈使用寿命。 ( 5) 适合于大中型中 高压长行程液压缸。 6　结论 根据实践经验 , 此结构设计可以最大限度地将压 力引至活塞杆端部 , 压力缸变为一个拉压式缸 , 实现 了设计的优化。 参考文献 : 【1】成大先. 机械设计手册 [M ]. 四版. 北京 :化学工业出版 社 , 2002. 【2】雷天觉. 新编液压工程手册 [M ]. 北京 :北京理工大学出 版社 , 1999. 【3】左健民. 液压与气动传动 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2005. 【4】姜佩东. 液压与气动技术 [M ]. 北京 :高等教育出版社 , 2000. 【5】李壮云. 中国机械设计大典 : 5卷 [M ]. 南昌 :科学技术 出版社 , 2002. 【6】徐灏. 机械设计手册 [M ]. 2版. 北京 :机械工业出版社 , 2000. ·101·第 8期 李明 等 : 基于 PLC的液压搬运机械手设计