两轴上料机构的电气设计与程序调试

摘要：自动化正逐渐取代人工作业。自动上下料能满足“快速、大批量加工节拍”、“提高生产效率”等要求，越来越多工厂已广泛使用。在自动化行业快速、高节拍的生产搬运中，经常可以看见自动上下料的机械手搭配出料机构形成一个上料单元。本文以一个典型的两轴机械手上料机构，从功能流程、电气设计、PLC程序控制等几个方面详细介绍。

关键词：自动上料；自动化；PLC控制

在自动化设备的产线上料环节的设计中，经常要将需要加工的产品上料至传送带上。设计使用两轴机械手进行横向、垂直方向的移动，用机械手末端作为吸盘工具，可吸取物料，并用真空压力检测表来检测判断是否吸到物料。产品放置在料井暂存区中，可由步进电机控制上升。本文对上述的机构进行选型，以PLC编程控制电气设计，通过流程分析、功能要求，了解它的工作原理，再进行电气图纸绘制、PLC信号分配，最终编写控制程序。

1 主要部件功能及动作流程

1.1 主要功能部件

在该单元中，执行元件主要是气缸和步进电机，检测元件是真空压力表和磁性开关传感器，控制元件是电磁阀。

1.2 动作流程

根据功能要求，在产品料井中存放多个产品工件，由步进电机控制抬升，抬升到位，两轴气缸进行横移、纵移，到取料位吸取产品，然后吸盘检测有料，两轴气缸再次纵移、横移到放料处，进行放料。控制步骤流程如下图所示。

2 控制系统的设计

2.1 控制系统的构成

本设备的控制系统运作是由PLC进行控制的，分别控制电磁阀、步进驱动器，输送带。 PLC机型的选择是在满足控制要求的前提下，保证性能可靠、维护使用方便以及最佳的性价比。具体考虑以下几方面：

（1）性能与任务相适应：重点考虑输入输出信号的类型、信号数值范围以及点数；

（2）结构合理、安装方便、机型统一；

（3）响应时间要求；

（4）网络通信功能：考虑是否能满足现场的各种总线网络通信要求；

（5）其他特殊要求：考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面等方面的特殊要求，可以选用具有相应特殊模块的PLC。

在该工作站中，我们选择西门子公司的PLC：1212C/DC/DC/DC，并外加拓展IO模块SM1223，拓展16个输入、16个输出信号。

S7-1200系列PLC属于中低端紧凑型的控制器，它主要面向简单而高精度的自动化任务。S7-1200的设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制器各种应用的完美解决方案。它的CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路组合到一个设计紧凑的外壳中以形成功能强大的PLC。CPU根据用户程序逻辑监视输入并更改输出，用户程序可以包含比尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及其他智能设备的通信。

2.2 电气系统的设计

2.2.1电路图设计

电路图主电路设计的思路：由带漏电保护空气开关QS1通断总电源，然后按下启动开关，接通交流接触器线圈KM1，控制KM1常开触点闭合，分支到开关电源进行变压整流；开关电源出来使用保险丝进行短路保护。

控制电路主要介绍步进电机接线设计图及PLC接线图，根据电路图的设计，可以将设备的IO分配表进行归纳。

2.2.2气路图设计

通过空压机提供气源，经过气动三联件、气体到汇流排上，供给三个二位五通电磁阀，其中控制横移方向无杆气缸使用双控电磁阀，防止突然断电，气缸复位导致撞机。上下升降的气缸使用单控线圈，另一个电磁阀出来的气路接到真空发生器上，通过真空发生器转为负压，供给吸盘工具使用。

3 程序设计

对于两轴上料单元的PLC编程，程序主要难点在于步进电机的运动控制以及上料流程的气缸顺序控制逻辑。可以从步进电机控制和两轴气缸逻辑控制两个大模块程序进行分析，然后用西门子博图软件“TIA Portal V15”编写PLC程序。

3.1 步进电机控制

使用西门子博图软件进行步进电机的运动控制编程，首先需要了解步进电机的相关参数，再根据步进电机的参数进行轴组态，最后再进行程序编写。根据硬件参数，可以得知步进电机的细分为3200，每转位移为4mm。由此，在软件进行轴“工艺对象”组态时，“电机每转脉冲数”为3200，“电机每转负载的位移”为4mm。

根据IO信号表，可分别对驱动器参数、位置限制和回原点等参数进行设置。

进行轴组态后，就可以使用博图软件进行PLC编程。根据控制要求，手动在料井中放置七块产品，每个的厚度20mm。设备上电，电机回原点，然后按下启动按钮，根据传感器检测取料位是否有料，没有产品工件，则控制步进电机运动，直到检测到有料停止运动。

使用“MC_POWER”启用配置好的“运动轴”，调用“MC_HOME”程序控制轴回原点，然后使用“MC_MoveVelocity”程序块控制运动轴运动，触发条件是取料位是否有产品。并在主程序编写起保停控制程序，然后调用步进控制程序块。

3.2 两轴气缸逻辑控制

编写两轴气缸从取料位吸取产品，然后放到输送带上的动作程序。

先编写初始化程序，复位气缸动作和吸盘动作。再利用传感器信号，根据控制流程，使用置位和复位指令，控制横移气缸、升降气缸伸出与缩回，进行产品搬运。

4 结语

通过此次的设计，本人对自动上料机构的特点有了更深的理解与应用。如何能够更加精准控制各个器件，让它们按照我们预期的动作去执行变得更为重要。不同的行业已经大量使用自动化产线，以保证产品的质量，提高生产效率，同时也避免了大量的工伤事故，深刻感受到机械手和工业机器人的普及是实现自动化生产、提高社会生产效率，推动社会生产力发展的有效手段。

参考文献：

[1] 廖常初.S7-1200 PLC编程及应用第3版[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2] 王淑芳.电气控制与S7-1200PLC技术应用[M].北京：机械工业出版社，2016.

[3] 吴卫荣.气动技术[M].北京：中国轻工业出版社，2005.

作者信息：徐登峰，男（1979.10—），汉族，籍贯 广东汕尾，学士，高级教师。研究方向：工业机器人，自动化，机电技术.