PLC上自动模具机械手控制系统的研究

肖艳君周静关玉明秦玉霞

河北工业大学机械工程学院

天津300130电子邮件：x_yanjun2009@163.com

摘要：自动模具机械手控制系统以三菱FX2N系列PLC为控制核心，以KINCO伺服系统为主控制对象，以MCGS触摸屏为终端。通过使用外部传感器来检测触发器是否可以自动完成四个工艺流程的操作：送料-拉拔-防拉-在每个位置进行冲孔，这样能够避免手动操作的风险和生产率低的缺点实现生产的自动化和智能化，提高产品质量。

关键词：PLC，伺服系统，自动模具机械手

一，导言

作为冷加工必不可少的工具，冲裁在当今被广泛使用。传统冲压采用手动控制，效率低，危险性高。本文设计了机械手的电气控制系统，可以配合冲床和机械手实现模具的自动加工。稳定和提高生产质量，提高产品效率，改善工作条件非常有用。它主要包括三种基于继电器，PLC或计算机的机器人控制方式。继电控制系统容易出现故障，灵活性差，计算机控制系统缺乏抗干扰能力，设计复杂，但PLC控制系统运行可靠，维护方便，抗干扰能力强，节能，是冲压控制系统中应用最广泛的控制方案。

二，控制系统的扩展方案

它主要包括三个部分：自动模具操作器控制系统：自动装载系统，机器人系统和显示系统。根据机械手的功能需求，本研究采用嵌入式电脑触摸屏作为上位机，下位机采用三菱FX2N系列PLC，伺服系统和电磁阀作为主执行机构，磁性开关和光电传感器被用作检测元件。控制系统的总体方案如图2.1所示：

图 1机械手控制系统示意图

作为系统的上位机，即监控系统，嵌入式电脑触摸屏主要负责设备状态动画显示，调试控制，报警信息，生产记录等;监控系统通过串口与PLC通讯，发送信息，接受系统控制指令通过串口与PLC通讯，发送信息并接受PLC通过该接口发送的设备控制指令。PLC控制系统作为控制系统的上位机，是整个控制系统的核心。它的功能是实现信号采集，自动加载卸载控制，伺服定位控制，气动夹持器控制，向上下降控制和安全系统控制等。它主要包括信号采集中的磁开关和光电传感器信号采集，这些信号为发送给PLC，这对控制系统的可靠和安全运行非常重要;自动加载卸载控制通过PLC控制振动加载和机器人旋转来实现;伺服定位控制是整个控制系统的关键和核心问题，主要由PLC和伺服驱动程序实现;通过控制电磁阀实现气动夹具控制和向上的向下控制;为了实现安全控制，需要考虑PLC的各个因素和程序。

三，硬件控制系统的分配

A.控制系统的硬件要求

控制系统的主要功能是实现对自动机械运动的精确控制，它主要包括整体旋转机械手位置伺服控制，移动工件机械手夹具/开启运动控制，运动控制电磁阀课程的原料，机械和手动控制，冲床冲压控制。控制系统的硬件设计必须满足以下要求：（1）要实现旋转系统的高精度位置伺服系统，角度误差应小于plusmn;0.2％;（2）气动机械手移动半成品时，必须每次精确夹紧，确保其在旋转过程中稳定可靠;（3）如果移动工件的过程异常，如物品掉落或位置不正确，必须立即自动停止打印并报警。（4）良好的安全性和可操作性。图3.1显示了自动模具机械手控制系统的硬件框图，各种开关型传感器将设备状态传递给PLC（如机械手状态，工件位置）进行处理，然后CPU将完成所有工作计算处理的种类，以实现对执行机构的实时控制。

图 3-1控制系统硬件框图

B.主要硬件的分配

（1）以FX2N系列PLC为核心控制器，实现设备自动控制，并在各种状态实时处理后输出信息。传感器设备接收到的输入信号显示设备的工作状态，通过实时处理实现各种气动阀门的运动，伺服电机的动作和电磁铁的运动。（2）伺服系统一般都是闭环控制;其控制框图已在3.2中显示。首先，使用光电编码器检测伺服电机的位置theta;₀，然后将数据发送到控制处理，从而可以构成伺服电机给定位置theta;_i的负反馈闭环控制系统。闭环控制系统的工作过程如下：首先将给定的目标theta;_i设置为伺服电机的位置，控制器向伺服电机发出脉冲指令，使其转到目标位置，即发出一定的我们可以借助光电编码器的计数脉冲读取伺服电机的实际位置。由于负载扰动或其他非线性因素，如果伺服电机的实际位置与给定位置有偏差，且此偏差（△theta;=theta;_i-theta;₀）不等于0，则电机脉冲数可为通过设置算法控制器进行调整，以使系统的实际位置输出theta;₀可以服从给定的目标位置。

图 3-2伺服电机闭环控制的原理框架

根据以前的分析，结果可以得出：这个伺服控制系统是一个位置变换系统，它使用光电编码器实时检测系统的物理位置，通过控制器来调整系统的位置，减少实际位置与目标位置的偏差，确保控制系统结构简单。

位置伺服系统的控制是系统中最关键的部分;其控制会影响到：设备是否能够顺利运行并成功运行。在这项研究中，KINCOED系列伺服系统将选择实现自动模具机械手旋转位置和角度控制，该驱动器内部集驱动，控制，总线，I/O等功能于一体，可存储256个程序在内部，每个程序还可以存储一种运动曲线，包括加速度，减速度，最大速度，目标位置等运动曲线的重要参数，通过8个I/O口，最多可以实现128个运动曲线直接传输，同时通过ED支持的通讯功能，外部控制器也可以调用ED中的256个内部存储程序，并更改驱动系统内部的参数。

1. 为保证设备工作状态检测的可靠性，必须合理选择和安装传感器，并确保传感器信号正确传送到PLC。系统会选择磁性开关传感器基于对气缸的检测，因此可以方便地安装在气缸表面;为了检测工件位置，将选择电感式接近开关传感器以防止对信号的干扰并确保可靠的数据;对于手臂的电磁检测，它将使用光电传感器。

四，控制系统的软件设计

控制系统的重要目标是在自动模具操作系统上实现连续操作，同时必须考虑所采用程序的功能具有高度的完整性和可靠性，采用PLC控制程序的模块化设计，并确保系统的机械运动顺序且可靠地运行。在资源有限的硬件系统中，可以实现所有已完成的功能，保证系统的安全可靠运行。

A.PLC程序的基本原理

执行

PLC上电后，CPU在系统程序的监控下首先进行内部处理，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，保持停电范围和其他初始化设置处理。在执行用户程序之前，将完成通信服务和自诊断的检查。在通信服务阶段，PLC应完成与多个智能模块及其他外设的通信，并完成数据接收和发送任务，响应程序员键入的命令，更新程序显示内容，更新程序内容时钟和特殊寄存器等。

工作原理如图4.1所示：

图 4-1PLC的工作过程

B.PLC程序的完成

PLC编程通常用于模块化编程以实现整体功能;该方法具有以下优点：

（1）结构清晰，类似于C语言的功能，可读性强，调试时易于修改;

（2）程序可以标准化;特别是一些功能可以编译成标准程序;

（3）程序的各个模块可以由多人编写和参与，减少程序开发时间;

对于三菱系列PLC，其程序是模块化的;根本的方法是使用子程序，控制系统可以在适当的时间调用子程序的程序模块，控制系统程序主要由一些模块构成，如图4.2所示：

图 4-2控制系统模块

五，问题与解决方案

调试阶段

现场调试是PLC控制系统设计中最重要的方面之一;必须要有合理的规划和严格的要求。调试过程非常繁琐和复杂，常常会出现各种意想不到的问题，例如调试感性负载的问题。在控制系统中，由于感性负载会在电源开启或关闭的瞬间产生反电动势电压，因此经常会使用感应负载，如中间继电器和电磁铁，此电压峰值可能会被损坏或产生额外的磁线圈，从而影响正常的调试，因此在设计和调试这类负载的阶段，必须采取一定的措施，以防止反电动势电压对控制系统造成影响并造成不利影响。当电磁铁掉电时，磁力不能迅速消除，这可能导致材料不能及时放在准确的位置，影响控制系统的正常运行系统。在调试阶段，满足设备要求的二极管可以与电磁铁相对并联连接，以前的问题将得到完美解决。

六，结论

本文介绍了冲压机械手装置的自动化，该装置可以代替人工操作，改善工作环境，但从控制技术的角度来看，还有很多工作要做。目前，基于PLC控制的技术已经在智能化和网络化的方向发展。PLC控制技术在智能控制和大规模网络控制中的应用研究将成为未来的研究方向。对控制系统调试阶段存在的问题应进行深入研究和探讨。总结阶段，研究新的算法和方法，真正将机械设计和控制系统相结合，并能够实现更好的实际控制质量。

运输机械PLC控制系统机器人和仿真调试

Weina Han，刘立伟

北京航天工程学院机械工程系

河北省中国hanvenus@163.com

liweiliu8866@163.com

摘要：PLC（可编程逻辑控制器）是一种高可靠性的通用工业控制平台。基于西门子SIMATICS7-200系列PLC，介绍了机械手运输控制系统的控制方案。硬件设计和PLC程序详细给出。另外，控制系统的配置模拟通过KingView软件的应用来执行。该系统具有可靠性高，连接简单，功耗低等优点，可广泛应用于教学实践和工业应用。

关键词：PLC；机械手；模拟；KingView

一，导言

机械手是生产开发过程中机械化和自动化的新型装置。它可以模仿手臂的一些功能，例如按照固定顺序抓握，释放，搬运物体等，并广泛应用于工业生产等领域[1]。机械手的应用可以减少工人的反复操作，在危险和有毒的环境中替代人类，大大提高了工作效率和准确性。对保障人身安全，改善工作环境，减轻劳动强度也具有重要意义。

可编程逻辑控制器（简称PLC）是一种在20世纪60年代首次开发的通用工业控制平台。PLC具有可靠性高，编程简单，易学易用，体积小等优点，已在工业领域得到广泛应用[2][3]。西门子PLC在德国的生产已广泛应用于国内，特别是S7-200系列，由于其紧凑性，成本效益，广泛的CPU尺寸以及易于在小型控制系统中编程[4]。

本文以西门子SIMATICS7-200系列PLC为基础，介绍了一种采用水平/垂直位移结构的机械手运输控制系统。机械手由气缸驱动。相应的电磁阀驱动气动执行机构完成由PLC控制的动作。该控制系统可以方便地应用于各种工业生产线上，完成固定位置的零件运输，实现生产自动化。

二，控制要求分析

机器人运输控制系统的配置仿真界面如图1所示，这是KingView软件配置仿真的初始界面[5]。可以使用机械手将工件从工作台A移至工作台B.所示系统位于初始位置。

为满足生产要求，控制系统具有单作业，步进作业，单作业作业，连续作业四种作业方式。每种工作模式都可以通过操作面板上安装的相应开关进行设置。单一操作是为了完成手动控制中的各种操作。设备的维护通常以这种方式完成。连续运动过程分为8个步骤，包括下降，夹紧，上升，下降，释放，上升和下降。但必须确保机械手从初始位置开始。连续操作是操纵器重复执行动作的每个循环。单循环模式是操纵器从初始位置自动运行并在一个循环动作后停止。当选择步进模式时，机器人将根据顺序移动一步。

图 3初始界面

气缸分别由双线圈的两个电磁阀[6][7]驱动，这是为了上/下，左/右动作来执行。当电磁阀线圈通电时，必须保持现有的机械作用。例如，一旦控制下来的电磁阀线圈通电，机械手就会关闭。即使线圈关闭，仍然保持现有状态，直到线圈的相反方向通电。此外，气缸运动由单线圈电磁阀驱动，以实现夹具运动。夹具设计用于在线圈通电时进行夹紧，当不是时则进行松弛。为了精确地移动到目的地，四个对应的限位开关安装在最终位置，以限制机械手的上/下，左/右动作，从而可以将输入信号发送到PLC。

三，PLC硬件的设计

A.选择机器模型

PLC是一种工业控制系统，其控制对象是工业生产设备。它与工业生产过程的连接通过I/O接口模块来实现。PLC采用多种I/O接口模块，包括开关量输入模块，开关量输出模块，模拟量输入模块，模拟量输出模块以及一些特殊模块。

根据对控制要求的分析，该系统是一个序列控制。考虑到输入和输出点的数量，小型PLC，控制系统中使用了SIEMENSS7-200的CPU224。该机器集成了24个数字I/O点中的14个输入/10个输出，并且I/O接口模块可以作为一个整体轻松拆卸。此外，该机器还具有开关量I/O接口，可以接收来自传感器和开关和控制设备的信号。典型的交流输入/输出信号为24〜240V，直流输入/输出信号为5〜240V。EM221模块用作数字扩展，扩展8个输入。

B.I/O接线

图 4I/O接线图

PLC控制系统的输入和输出接线图如图2所示。输入电路由S7-200自身的24V电源供电，包括按钮，限位开关和手动开关。输出电路包括电磁阀线圈，它使用220VAC外部电源。由于电磁阀需要的功率较小，PLC的电气输出可用于直接驱动。

四，PLC编程

由于控制系统有多种工作模式，程序以模块化结构编译[9]。机械手的四种模式可分为手动模式和自动模式，后者包括步进操作，单循环操作和连续操作。手动程序和自动程序可以编译在独立的子程序模块中，可以通过程序指令调用。当选择单个操作时，I1.2打开并执行手动过程。当选择自动模式（步进，单周期和连续）时，I1.3，I1.4，I1.5分别打开，并执行自动控制程序。整个主程序如图3所示。

图 5主程序

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