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基于P L C的磁环搬运机械手设计 Desi gn o f car r yi ng m ani pul at or f or NdF eB m agnet i c r i ng bas ed on PLC 郑红梅，闫其龙，陈科，丁曙光，黄海元 ZHENG Ho n g ． me i ， Y AN Q_ _ l o n g ， CHEN K e， DI NG Sh u gu a n g ， HUANG Ha i y u a n 合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 2 3 0 0 0 9 摘要 提出了一种配套油压式粉末成型压机的磁环搬运机械手设计方案，机械系统由手爪和X Y 运动平 台构成，实现对磁环的吸取和摆放。控制系统以西门子P L C 为控制柳 ，完成P L C 选型、I／ 0 口 的分配以及P L C g l, 围电路设计。软件设计采用结构化编程方法，分模块编程实现X 、Y 两个方 向的协调运动。同时通过配置伺服驱动器相关参数，以满足运动平台定位精度和速度要求。 该套搬运机械手简单可靠，达到了预期的设计目的，具有广泛的应用价值。 关键词钕铁硼磁环；搬运机械手；P L O ；伺服驱动；运动控制 中图分类号T P2 4 1 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 0 4 下 -o l 4 9 0 3 D o i 1 O ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 4 下 ． 4 5 0 引言 钕 铁硼 磁 环 由于 其优 异 的磁 性 能而 被称 为 “ 磁 王”。钕铁硼具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量 密度 的优 点使钕铁硼永磁材料在现代工业和 电子技术中 获得 了广泛应用“ ，相应地对磁环生产质量和生产效率 提出很高要求。 该钕铁硼磁环属于粉末冶金压制品，具有铁磁性 。 压制成型的磁环需要搬运码放之后烧结固化，在未进行 烧结前 ，脆性大、易碎；抓取移动过程 中要保持产 品的 结构完好 ，产 品结构如图1 所示 。实际生产 中搬运码放 的工序 由人工完成 ，生产效率低 ，人工成本高；而且人 工抓取容易使工件变形甚至报废 ，生产质量无法保障。 I ， ， ／ ， ／ ， ， ／ 『 0 ‘ 一 西 R一 图1 钕铁硼磁环工件 图 为此，开发一种三 自由度搬运机械手口 ，该机械手 手爪 使用吸盘吸取工件避 免磁环 受径 向力作用变形 ， X、Y 两个方 向的协调运动完成码放工作。 1 搬运机械手总体设计 粉末冶 金成型机的工作速度 是每分 钟成型1 2 个磁 环 ，在生产周期内，要求将压制完成 的钕铁硼磁环 自动 吸取、移送、摆放；摆满整个托盘后能够 自动卸盘、上 盘并回到初始装盘处继续摆放工件；磁环在工件存放盘 的摆放要紧凑 ，在达到精度要求的前提下尽量节省工件 存放盘的摆放空间。同时具有 自动循环、手动和调试工 作模式，以及故障报警、紧急停止等安全功能。 1 ． 1搬运机械手组成 根据 以上设计要求 ，整个搬运机械手可分为控制系 统、传动系统、执行系统、监控系统等部分组成。传送 过程要求精确定位且平稳运转实现平稳运转 ，为此选用 同步带结合滚珠丝杠 的传动方案 。由于钕铁硼磁环脆性 大，取工件执行机构不能使用夹持机械手方案，而粉末 冶金具有铁磁性，选用 电磁吸盘吸取工件 。选用 的钕 铁硼磁环搬运机械手设计方案如图2 所示。 1 ． 工件存放盘；2 ．X轴向机架；3 ．上盘 气缸 ；4 ．Y轴向同步带 轮；5 ．Y 轴 向伺服 电机 ；6 ．Y 轴向机架；7 ．气缸安装 架；8 ．推动块；9 Y 轴向导轨 1 0 Y 轴向灌珠丝杠 ；I I ． Y 轴向轴 承座与轴承 ；l 2 ． 吸盘和吸盘气缸 ；1 3 ． 卸盘气缸；l 4 ．x轴向导孰；l 5 ．x轴向滚珠丝杠 1 6 ．Y轴向轴承座和轴承；l 7 ．X轴向同步带轮1 8 ．x轴向伺服电机 图2 钕铁硼磁环搬运机械手设计方案 收稿日期2 0 1 4 1 2 2 7 基金项目安徽省科技攻关项 目 2 0 1 3 AK KG 0 3 0 3 作者篇介郑红梅 1 9 6 5一，女，安徽合肥人，教授，博士，研究方向为数字化设计与制造。 第3 7 卷第4 期2 0 1 5 0 4 下 [ 1 4 9 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 ． 2 机械手工作过程分析 系统启动后，首先回到初始工作状态Y向丝杠 归原点 磁环推出位置和X向丝杠归原点 存放盘上 盘位置 ，同时上盘气缸3 顶起 ，卸盘气缸1 3 和吸盘气 缸l 2 收回。 XY工作 台协调运动完成 定位摆放工作 ，Y向丝杠 定位磁环x向位置，x向丝杠定位磁环Y向位置 。Y向丝 杠每摆满一列工件，x丝杠移动一个列间距的距离。 抓取 、放下磁环通过吸盘和吸盘气缸完成，吸盘气 缸下降到吸盘和磁环有效动作的距离内，吸盘通 电，吸 取工件 ；吸盘断电则放下工件 。 上盘和卸盘动作可分解为如下过程人工将存放盘 放在上盘气缸上，当X向丝杠归原点后 ，上盘气缸3 落 下，将存放盘放置在丝杠螺母载物台上，x向丝杠带动 存放盘运动到指定初始摆放位置完成上盘动作。当存放 盘满盘后 ，x向丝杠快速移动到卸盘位置，卸盘气缸1 3 顶起，完成卸盘动作。操作工人在下一个工件存放盘满 盘之前 ，搬走卸盘气缸上支撑的满工件存放盘 ，并在上 盘气缸上放一个空盘。 2 机械手控制系统设计 P L C是整个控制系统的核心，主要完成信号的采集 和 处理 、伺服定位控制 、气动系统控制 、系统运行状 态指示等功能H 】 。伺服驱动器作为驱动设备，接收来 自 P L C的指令脉冲 ，驱动 电机完成高精度 的定位 ，并反馈 给P L C 伺服准备就绪、伺服完成和伺服报警等信号。气 缸是主要的执行机构 ，通过P L C 控制 电磁换向阀完成对 气缸的控制 。机械手控制系统组成如图3 所示。 触摸屏 气缸限位 L 八 磁性开关 r 接 近 开 关 } P Lc 控 制 模 块 行程限位 L 开关r 自动运行 L J ＼ 启动／ 停止r 图3 机械手控制 系统组成 2 ． 1 P L C 的选择 在选择P L C 时需要考虑以下几点吲 。 1 P L C 控制器 以及允许的拓展模块的I ／ O总点数能 够满足控制要求。 [ 1 5 0 1 第3 7 卷第4 期2 0 1 5 - 0 4 下 2 P L C硬件配置和控制功能相适应。 机械手控制系统 主要的I ／ O点是被位置检测开关 、 报警指示灯 以及伺服控制端 口占用。估算控制系统需要 2 4 个输入点，1 9 个输 出点；留取1 5 ％的余量，从而选取 输入点2 8 个，输出点2 2 个。 P LC 通过脉冲输 出控制伺服 电机运动，P LC 要实现 同时控制两个伺服 电机运动，因此P L C至少需要两个脉 冲输出端口。 选择西门子S 7 ． 1 2 1 4 C为P L C控制器 。C P U主板拥 有4 路脉冲输 出 最高频率1 0 0 KH Z，可扩展多达8 个I ， 0信号模块；完全满足机械手控制要求。同时还拥有一 个P R O F I N E T 接 口用于编程、H MI 和P L C 间通信。 2 ． 2 系统l ， O 分配 伺服驱动器1 和伺服驱动器2 分别表示钕铁硼磁环搬 运机械手Y向丝杠和x向丝杠伺服运动。伺服驱动器 与 P L C 之间的信息交换包括伺服准备就绪、定位完成、故 障报警脉冲输出、脉冲方向、指令脉冲禁止输入、伺 服使能、报警解除 。P L C与外部环境信息交换包括一 些工件和载物盘位置检测接近开关、工作台极限位置限 位 、气缸上下行程 限位 、气缸控制 电磁 阀等 。为了方便 调试、使用和故障分析 ，需要一些手动控制按钮和状态 指示灯等输入输出设备。 2 ． 3 P L C 的I ／ O 接线 本系统属于非高精度位置控制系统 ，脉冲输 出方式 采用脉冲串加脉冲方 向。P L C 的输入是2 4 V，伺服驱动 器的输入端 口是5 V的T T L电平 ，因此P L C与伺服驱动器 的端 口之问需要串接2 K的分压 电阻。 气动系统的电磁阀不能直接由P L C 输 出驱动 ，需要 使用一个 中间继电器 R Y隔离控制 ；伺服驱动器输 出的信号是5 V的T T L电平 ，P L C也不能直接使用，需要 使用中间继 电器 K A隔离控制 中间继电器需并联 续流二极管 以保护输出接 口。西门子系列的P L C 输入 端 口是源／ 漏两用型的I ，将输入的M 1 M、2 M、3 M 端 口接电源负极时用作源型输入 低电平有效，因此 要选用P N P 型的三线制常开接近开关 。P L C 的输 出是高 电平输出有效 ，所有P L C输入到驱动器的信号，用共 阴 极接法连接 。 2 ． 4 伺服驱动器参数设置 x、Y方向的运动控制是该搬运机械手定位摆放 的 关键，需要合理地配置伺服驱动器的参数，使伺服电机 的运动满足定位精度和运行速度要求。伺服驱动器参数 设置过程如下I 。 1 设置伺服 驱动器 的 电子齿轮 比。 电子 齿轮 比 的设置 与脉 冲 当量有 关 ，磁 环摆 放 的间距被 设 定为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 造 匐 似 l mm，定位精度 要求不高 。而 电子齿轮 比的设置范围 在 1 ／ 1 0 0 0 1 0 0 0 之 间，脉冲 当量选择 过大会使 电子齿 轮 比超 出允许 范 围。根据 公式 1 当选取脉 冲 当量为 L O ． O 0 1 mm时，电子齿轮比为8 7 3 ，符合以上要求。配套 伺服电机采用2 0 位增量式编码器，同步带减速 比为1 ，丝 杠螺距D- 1 2 mm，则伺服驱动器的电子齿轮 比为 P 塑 矍 减 速比 一 丝杠螺距 ⋯⋯ 1 0 4 8 5 7 6 x 0 ． 0 0 1 ． 1 1 2 655 36 75 P L C的最高脉冲输 出频率为1 0 0 K H Z ，在最 高频率 下 电机所能达到转速S 一 为 。 旦墨 电 子 齿 轮比 2 编码器分辨 ⋯⋯ 皇 1 0 4 8 5 7 6 7 5 5 0 0 0 r ／ mi n 伺服电机的额定转速为3 0 0 0 r ／ m i n ，最高转速为6 0 0 0 r ／ ra i n ，所选电子齿轮 比能够满足 电机运行速度范围。 2 根据位 置控制要求，伺服驱动器需要设 定在位 置控制模式下，指令输入方式为脉冲序 列 脉冲 符号 。 参数设置情况如表2 所示 。 表1 Y向丝杠伺服驱动器参数设置 3 控制系统软件设计 编程软件采用西 门子最新的全集成 自 动化工具平台 T I A P o a l ，该软件集成了S t e p 7 编程软件以及Wi n C C组 态软件 ，使得P L C的编程和组态能够在一个集成环境中 完成，减少变量定义，使编程更简单高 彻。 采用 结构化编程结合 步进 顺控指令进行控 制系统 软件设计 。结构化编程要求分别编程实现X、Y向丝杠 运动以及相关气缸动作子程序，通过主程序调用各子程 序。各个子程序则按照生产工艺的时间顺序进行设计。 P L C 伺服准备就绪输入端 口接通时，机械手系统进 入初始化子程序 ，初始化动作包括Y向、x向丝杠 回原 点，上盘气缸顶起，吸盘气缸、卸盘气缸收回。初始化 动作完成后，空托盘下降，横 向丝杠带动托盘运动到初 始下料位置，按设定程序执行搬运动作。每次码放完成 后 ，Y向丝杠进入回原点程序 ，原点位置位于磁环推 出 位置，每次搬运完成都回原点，能够避免多次运行造成 的累积误差。机械手控制程序流程 图如图4 所示。 N 开始 二二[ 上 电初始 化 子程序 ／人 工 ＼ 存 放盘 移 送 到初始 下 料位 置 磁 环抓取 Y向搬 运 二二 I 二 磁 环 码 放 工 Y 向回原 点 ／ --y i] 横向丝杠移l I 土 快速卸盘 I 二二 快速返回上盘 l 位置上盘 f 图4机械手控制程序流程图 Y 4 结论 本课题根据工 厂需要 ，设计 了一种针对成 型钕铁 硼磁环的 自动搬运机械手 该系统机械结构设计简洁合 理，有利于高效定位摆放多个工件控制系统基于P L C 控制 ，实现了工件 自动搬运 、托盘 自动装卸和故障报警 功能达到 了预期 目的。该系统投入到实际生产应用中 将大大改善劳动环境 ，提高产品质量，降低生产成本， 具有广泛的应用价值和广阔的市场前景 。 参考文献 【 l 】 钟明龙， 刘徽平． 我国钕铁硼永磁材料产业技术现状与发展趋势 【 J 】 ． 电子元件 与材料， 2 0 1 3 ， 3 2 1 o 6 - 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I 1 4 】 ． h t t p s ／ ／ s u p p o r t ． a u t o ma t i o n ． s i e me n s ． t o m． 【 7 ] 松下马达 珠海 有限公司． 松下A5 系列伺服驱动器使用 说明 书 ． h t t p ／ ／ i n d u s t r i a 1 ． p a n a s o n i c ． c o m／ e a ／ i ／ 2 5 0 0 0 ／ f a c t l gacs_c ／ f a_ [ 1 5 6 ] 第3 7 卷第4 期2 0 1 5 - 0 4 下 e t l g _ac s_c ． h t m1 ． 【 8 】 刘 华波， 刘 丹， 赵 岩岭， 马艳． 西 门子s 7 2 0 0 P L C编程 与应 用【 M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 1 l 2 3 ． 2 4 ． 【 9 】 王学 良， 张秋菊． 基于P L C的机械手 自动上下料控 制系统设计[ J 】 ． 中国制造业信息化， 2 0 1 2 ，4 1 1 5 5 9 6 2 ． [ 1 0 ] 西 门子 中 国 有 限公 司． T I A博 途 工程 框 架． h t t p ／ ／ www． i n d u s t r y ． s i e me ns ． c om． c n ／ a u t o m a t i o n ／ c n ／ z h ／ a u t o m a t i o n s ys t e ms ／ a u t o m a t i o ns o f t w a r e ／ t i a p o r t a l s o f t wa r e ／ t i a p o r t a l e ng i n e e r i n g f r a me wo r k ／ P a g e s ／ De f a u l t ．a s p x ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m