采用可编程控制器(PLC)代替继电器控制器，对机械手的液压驱动系统进行控制，通过输入输出接口
建立与机械手液压系统开关量和模拟量的联系，实现机械手搬运工件的顺序动作和自动控制，达到准确度高、控
制方便、可靠性好的目标，大大提高了生产率和自动化程度，减少了系统故障，具有很强的实用性。
1、 前言( Introduction)
目前PLC 在工业生产过程控制自动化和传统产业技术改造等方面得到了广泛应用, 与传统的继电器控制相比, PLC 具有控制系统构成简单、可靠性高、通用性强、抗干扰能力强、易于编程、体积小、可在线修改、设计与调试周期短、便于安装和维修等突出优点, 而且一般不需要采取什么特殊措施, 就能直接在工业环境中使用, 更加适合工业现场的要求, 使用PLC 控制液压控制系统能提高系统的整体性能,具有较明显的优越性。本文介绍基于PLC 控制的某液压机械手的典型液压控制回路及其PLC 控制方法。
2、 控制要求分析(Analys is of control demands )
在生产现场工作开始后, 机械手在一个工作循环中需要依次完成以下顺序动作: 下降、夹紧、上升、左移、下降、松开、上升、右移( 共8个顺序动作) , 这是一个典型的顺序控制问题。采用PLC 实现机械手的自动循环控制, 需要在某些动作位置设置位移传感器或行程开关来检测动作是否到位, 并确定从一个动作转入到下一个动作的条件。根据机械手的动作要求, 选用3 个液压缸来完成该8 个顺序动作: 升降缸1 在工件两个位置( 原位与目标位置) 上方的下降和上升运动, 移动缸2 的左移和右移运动, 夹紧缸3 的夹紧和松开动作。缸1 下降或上升到位时应停止运动, 缸2 左移或右移到位时也应停止运动, 故需分别设置一行程开关S1、S2、S3、S4。根据机械手的动作过程和要求, 绘制出系统的控制功能流程图, 如图1 所示。
3、 液压系统图(Hydraulic scheme)
根据机械手的动作要求和工作循环设计出液压系统图, 如图2所示:
按下启动按钮, 电磁铁1DT 得电, 阀4 左位接入, 液压泵9 输出的压力油经阀4 左位接入升降缸1 的上腔, 其活塞向下运动, 推动机械手下降( 动作①右位下降) ; 当缸1 下降到下限位置, 压下行程开关S1, 使得电磁铁1DT 断电, 阀4 切换至中位(O 型中位机能) , 缸1 停止在下限位, 而电磁铁5DT 得电, 阀8 左位接入, 泵输出的压力油经过单向阀6、减压阀7 进入夹紧缸3 的上腔, 推动其活塞下移夹紧工件( 动作②夹紧) ; 夹紧工件后, 当缸3 上腔压力达到减压阀7 的调定压力时, 压力继电器11 动作发出信号, 控制电磁铁2DT 得电, 阀4 的右位接入系统, 推动缸1 向上运动( 动作③右位上升) ; 缸1 上升到上限位置时, 压下行程开关S2, 电磁铁2DT 断电, 阀4 切换到中位, 缸1 停止在上限位, 而电磁铁3DT 得电( 此时工件仍被夹紧, 压力继电器11 仍在动作) , 阀5 左位接入, 缸2 向左运动( 动作④左移) ; 缸2 左移到左限位置, 压下行程开关S3, 电磁铁3DT 断电, 阀5 切图2 换至中位,缸2 停止在左限位, 而电磁铁1DT 得电, 阀4 左位接入系统, 缸1 向下运动( 动作⑤左位下降) ; 缸1 下降到下限位置, 压下行程开关S1( 此时缸2 处于左限位置) , 电磁铁5DT 断电, 阀8 回复右位, 缸3 活塞上移放下工件于目标位置( 动作⑥松开) ; 松开工件后, 缸3 油腔压力降低, 压力继电器11 复位, 发出信号控制电磁铁2DT 得电, 缸1 向上运动( 动作⑦左位上升) ; 上升到上限位置, 压下行程开关S1, 电磁铁2DT断电, 缸1 停止在上限位置, 同时电磁铁4DT 得电, 阀5 右位接入, 缸2 向右移动( 动作⑧右移) ; 右移到右限位置, 压下行程开关S4, 阀5 切换至中位, 缸2 停止在右限位置( 复位) 。至此完成了机械手的8 个自动控制动作, 进入到下个动作循环。电磁铁动作顺序表如表1(“+”表示得电,“- ”表示断电) 所示。
表1 电磁铁动作顺序表
该液压系统中, 利用电液比例换向阀4 和5 控制升降缸1 和移动缸2 的运动速度, 用比例溢流阀12 控制夹紧缸的夹紧速度; 减压阀的作用是限定并保持夹紧压力, 单向阀的作用是对夹紧液压缸3 进行保压, 比例溢流阀12 还起到平衡作用。在PLC 对各输入输出量的控制下, 完成顺序动作。
4、 PLC 选型与I/O 分配(PLC lectotype and input--output allocation)
目前市场上的PLC 品种规格众多, 控制功能也各有特点。综合分析机械手的动作要求, PLC 在机械手中需要完成的控制功能较多, 控制精度较高, 运算速度较快且具有数据处理能力, 并考虑整个系统的经济和技术指标, 由于PLC 的输出电流较小, 需要用功率模块来控制比例液压阀, 选用西门子公司的S7- 200 系CPU226 型PLC, 其I/O 功能和指令系统都能满足对该机械手的控制要求。控制按钮、各处的行程开关及压力继电器等开关量信号直接与PLC 的输入端子相连, PLC的开关量输出端子直接与各个电磁阀相连, 用PLC 上所带的24V 电源或外接24V 电源驱动, 采用编程软件( STEP 7-Micro/WIN V4.4 版)进行编程和运行监控。图3 为PLC 的I/O 地址分配和外部接线图, 限于篇幅没有具体给出硬件布置原理图和控制系统梯形图及其程序语句。
图 3
系统设有5 种工作方式: 手动、连续、单周期、单步和回原点, 可以满足不同的工作要求。
5、 结论(Conclus ions )
采用PLC 控制的搬运工件机械手的液压控制系统, 使系统模块化, 减小了液压系统和设备的体积, 其工作性能稳定且各I/O 指示简单、明了, 大大缩短了维修、改制、安装和调试液压系统和设备的时间。克服了采用继电器控制系统必须是手工接线、安装、改动所需要花费大量时间及人力和物力的缺点, 也克服继电器控制系统的可靠性差、控制不方便、响应速度慢等不足。用PLC 控制的机械手的液压控制系统, 可使其工作平稳、准确, 更有利于改善工人的劳动环境, 降噪增效,节约能源, 而且提高了液压系统的性能, 延长液压设备的使用寿命, 大大提高了生产率和自动化程度, 特别是改变机械手的某些动作时时仅需进行程序的调整。
总之, 基于PLC 控制的液压控制系统, 可大大简化控制设备的结构, 节能降耗, 易于实现机、电、液一体化的控制装置, 使生产平稳可靠、效率和自动化程度提高。
