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工、世仪表与自动化装置２０ｌＯ年第３期
基于ＰＬＣ的工业取料机械手系统设计
周鸿杰ｈ２８，骆敏舟１，李涛１’幼。徐林森１’３，胡晓娟１’３
（１．中国科学院合肥智能机械研究所，合肥２３００３ｌ；
２．中国科学技术大学扎自动化系；ｂ．精密机械与精密仪器系，合肥２３００２７；
３．常州机械电子工程研究所，江苏常州２１３１６４）
摘要：介绍了一种基于ＰＬＣ控制的工业取料机械手，设计了取料机械手的机械结构和气动系统，并给出了ＰＬＣ控制系统的软硬件设计和步进电机运行速度控制设计，该系统应用于注塑行业，
具有稳定可靠的性能，提高了生产效率。
关键词：ＰＬＣ；机械手；气动系统中图分类号：ＴＰ２７３
文献标志码：Ａ
文章编号：１０００—０６８２（２０１０）０３—００５０—０３
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓｙｓｔｅｍ
０
引言
目前在各种不同的工业企业中，比如注塑行业、
了生产效率和生产质量，可以创造巨大的社会效益
和经济效益。
铸件行业等，经常有工件等需要搬运，特别是各种零
件在机电、日用品、五金中占很大比例（７０％以上），但目前绝大多数是采用手工取料，从而引发了大量的工伤事故。应用ＰＬＣ控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的生产效率，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提
１机械手的结构及工作原理
该机械手由机械手臂、电机、联轴器、汽缸、丝
杠、导轨、吸盘、底座组成，如图ｌ所示。
引拔汽缸
导轨
丝杆
匕下汽缸
高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，
有着十分重要的意义。
该文研究的基于ＰＬＣ系统的工业取料机械手
具有造价低，使用灵活等优点，可以广泛应用于机械
行业、电子行业、化工行业、食品和包装行业等各种
恶劣环境的操作，特别适用于注塑行业，大幅度提高
收稿日期：２００９一０９一ｌｌ
作者简介：周鸿杰（１９８５），男，重庆人，中国科学技术大学硕士研究生，研究方向为自动化控制。
步进电机
底座
磁性开关侧姿汽缸吸盘
图ｌ机械手机构示意图
２０１０年第３期工业仪表与自动化装置
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在Ｘ方向，选用普通汽缸驱动，直线导轨导向。机械手的工作流程为：机械手在初始位置，由电机配合联轴器带动丝杠使机械手臂沿ｙ方向作横人运动，到达限位开关即停止，然后由汽缸推动竖直方向手臂沿Ｘ方向作引拔进运动，到达磁性开关即
在ｙ方向，采用步进电机驱动丝杆的传动方式。在
Ｚ方向，选用高速汽缸驱动。同时在ｙ自由度上设有限位开关，而在ｘ、ｚ自由度汽缸以及吸盘旋转汽缸都设有磁性开关，用来限定机械手移动范围及进行限位保护。
停止，然后有高速汽缸推动竖直方向手臂沿ｚ方向作下行运动，碰到磁性开关即停止，然后吸取塑件，
上行，引拔退，横出，下行，吸盘旋转，放塑件，吸盘回正，上行回到原点。
吸盘旋转部分的结构如图２所示，采用吸盘吸
取塑件，选用汽缸驱动实现吸盘架９０。旋转。同时在汽缸两侧需有接触开关以确定侧姿或回正状态。吸盘末端需有磁性开关以确定塑件是否到位，同时还设有真空压力开关以检测真空度是否达到要求。
２机械手的气动控制系统
根据机械手的工作流程设计图３所示的气动原理图，为了使汽缸运行速度比较平稳，提高机械手的
稳定性及工作效率，在每一个独立的气动回路都配
有单向节流阀。由于运动的惯性和气体具有可压缩
性，如果在汽缸运动到满量程时停止汽缸，则会产生较大的冲击和噪声，因此在每个汽缸上接近满量程时都配有磁性开关，当汽缸运行接触到磁性开关时，电磁阀断电，汽缸由于惯性作用继续运动，当到达满量程时速度减为零，这样可以实现较好的缓冲效果，
图２机械手侧姿结构图
引拔气缸
ＣＰ９５ＳＤＢ５０一６００・Ｙ５９ＡＬ
减小冲击和噪声。
上下行气缸
吸盘旋转驰？“Ｌ缸
ＣＰ９５ｓＤＢ５０—ｌｏｏ—Ｙ５９ＡＬ
ＣＰ９５ＳＤＢ４０一６００—Ｙ５９ＡＬ
真空发生器组件
１．手动截止阀；２．储气罐；３．分水滤气器；４．过滤减压阕；５．二位五通电磁阀；６．磁性开关；７．二位五通电磁阀；８．二位五通电磁阀；９．单向节流阀；ｌＯ．真空吸盘
图３机械手气动系统原理图
对于抓取物体的真空吸盘部分，必须配备真空
发生器，由于真空吸盘是抓取物体的关键部分，为了防止物体脱落，真空发生器所产生的吸力必须大于或者等于所抓取物体的重力。
真空发生器的吸力公式为：
假设吸盘所抓取的物体最大重量为３ｋｇ，吸盘
个数为ｎ＝４，吸盘直径３２ｍｍ，则有效面积为Ａ＝８×１０一ｍ２，则通过上述公式计算出ｐ＝０．０５５此时真空发生器的真空度最小应为０．０５５
３
ＭＰａ。
ＭＰａ。
Ｆ＝ｐｈｆ氆
其中：Ｆ为真空发生器产生的吸力；ｐ为真空度；Ａ为
吸盘的有效面积；乃为吸盘个数；ａ为安全系数，一
机械手控制系统组成
３．１控制系统整体方案
如图４所示，系统采用ＰＬＣ进行控制，其中横
入横出部分选用电机进行控制，为了达到机械手的
般来说，采用标准吸盘时，ａ＝６。
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工业仪表与自动化装置
２０１０年第３期
精确定位，采用步进电机进行控制。另外，为实现快式是根据步进电机的矩频特性曲线以及实际情况，
速平稳控制电机启停，设计出步进电机的速度控制
步骤及相关算法，实现了对步进电机的升降速度控制。电机通过联轴器带动丝杠从而带动机械臂沿直
能够更好的迎合电机自身的特性，符合步进电机加减速运动的规律，能够充分利用电机的有效转矩，快速相应性能较好，升降速时间较短，能够获得很好的
实际效果。
线导轨横入横出。而引拔，上下行，旋转，抓取部分全部采用气动控制，同时采用触摸屏进行人机对话
十分直观。
横
图４机械手控制系统框架
系统工作模式分为全自动模式、单循环模式、手
动模式，用户可以根据实际需要选择，非常方便。在全自动模式下，机械手每隔１０ｓ完成一次取料，不
停往复；在单循环模式下，机械手完成一次取料后停在原点，等待下一次命令到来；在手动模式下，机械手输入的手动按键命令做单个方向动作，包括横入，
横出，引拔进，引拔退，上行，下行，侧姿（９０。旋转），回正（水平）。３．２电机控制
由于机械手横移方向行程较大，且ｘ、ｚ方向的
重量全集中在该自由度上，因而负载较重，速度也较高，实验证明采用汽缸驱动很容易出现汽缸密封圈泄漏的现象，无法满足实际要求，因而采用步进电机配合联轴器丝杆传动的驱动方式，且该驱动方式能有效
地调节机械手的运行速度以及机械手的定位。在这种情况下可以大大减小误差，提高机械手的定位精
度，从而使系统具有更高的可靠性和更高的效率。
电机控制系统由脉冲信号、信号分配、功率放大、步进电机组成，其中脉冲信号由ＰＬＣ产生，通过信号分配再经过功率放大驱动步进电机带动负载工
作，如图５所示。
图５步进电机驱动系统图
为了使电机运行速度平稳及达到更高的定位精度，必须对步进电机的升降速过程进行严格的控制。
该文采用指数形式曲线升降速，如图６所示。该方
ⅣＨｚ
０
图６步进电机升降速曲线图
气动控制系统Ｌ／Ｏ接线图如图７所示，由ＰＬＣ
控制电磁阀的通断实现机械手在各自由度的运动。为了实际需要，由于ｘ方向运动行程较小，运动速度较低，中间行程不可调，选用普通汽缸驱动，直线导轨导向；而在Ｚ方向，为提高生产效率，需尽量缩短在该自由度方向的运动时间，因而选用高速汽缸。
全
苴叫
横移进横移退引拔ｊ荭引拔退
上
下
侧姿ＰＬＣ
回止横横引引
图７
ＰＬＣ的Ｉ／０接线图
４软件设计
４．１
ＰＬＣ程序设计
图８所示为ＰＬＣ梯形图的总体结构图，包括公
用程序、自动程序、手动程序、回原位程序４个部分，其中自动程序包括系统工作在全自动模式下的程序
和系统工作在单循环模式下的程序。当选择手动工
作模式时，）【３接通，跳过自动程序执行手动程序；当
选择自动工作模式时，）（３断开，执行自动程序。
（下转第５７页）
３．３气动控制
２０１０年第３期工业仪表与自动化装置
・５７・
图５组态王中查看０Ｐｃ服务器对话框
参考文献：
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Ｐｃ
Ａｃｃ船ｓ０Ｉｌｌｉ∞
（上接第５２页）
初始画面
卜——［亘圈Ｐ・ｐ骅—ｔ互固卜——（亘圈舵Ｐ杯—（互回卜——蜓囹∞卜——（ｊ妇
图８
目ｈ＿［珂陶一
４．２触摸屏设计
触摸屏的软件设计包括创建画面和设定变量，并将它们与ＰＬＣ连接。创建画面涉及输
单循环画面Ｊ
ｌ手动画面Ｉｌ全自动画面
垡刽划坦型坦型世到乜翌到幽幽ｌ堡堡姿墼
图９触摸屏画面图
５
Ⅳ输出区域组态，指示
灯组态，功能键组态及
结论
该文设计的取料机械手通过机械、气动、电气和
文本显示等格式，具体
设计要根据机械手的控制要求设计不同的画面；设定变量就是把触
ＰＬＣ控制系统的综合设计，可以广泛应用于注塑业取料，实践表明，该系统可以快速、准确的对控制要
求作出反应，具有可靠性高、灵活性强、稳定性好，可大大提高生产效率。
参考文献：
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ＰＬＣ总体梯形图程序
摸屏的组态功能与ＰＬＣ的相应Ｉ／Ｏ接点及存储单
元之间建立联系，实现触摸屏敏感元件对ＰＬＣ参数的输入，ＰＬＣ当前值及报警系统向触摸屏的输出。
触摸屏画面如图９所示，它由初始页面、单循环
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２００６．
操作页面、手动操作页面和全自动操作页面组成。
全自动操作页面包括循环次数；手动状态页面包括
横入，横出，引拔进，引拔退，上行，下行，侧姿（９０。旋
转），回正（水平）。以上每个页面都设有返回、向匕、向下箭头。
［４］孙建东．机械设计基础［Ｍ］．北京：清华大学出版社，
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工业出版社，２００５．
基于PLC的工业取料机械手系统设计
作者：作者单位：
周鸿杰， 骆敏舟， 李涛， 徐林森， 胡晓娟， ZHOU Hongjie， LUO Minzhou， LI Tao， XU Linsen， HU Xiaojuan
周鸿杰,ZHOU Hongjie(中国科学院合肥智能机械研究所,合肥,230031;中国科学技术大学,自动化系,合肥,230027)， 骆敏舟,LUO Minzhou(中国科学院合肥智能机械研究所,合肥
,230031)， 李涛,LI Tao(中国科学院合肥智能机械研究所,合肥,230031;中国科学技术大学,精密机械与精密仪器系,合肥,230027)， 徐林森,胡晓娟,XU Linsen,HU Xiaojuan(中国科学院合肥智能机械研究所,合肥,230031;常州机械电子工程研究所,江苏,常州,213164)工业仪表与自动化装置
INDUSTRIAL INSTRUMENTATION & AUTOMATION2010(3)6次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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