一种基于PLC控制的机械手液压系统设计.pdf

wwwele169com|17电子技术一种基于 PLC 控制的机械手液压系统设计叶青青（天门职业学院，湖北天门，431700）摘要：基于PLC控制，模拟液压机械手的动作过程，实现了液压机械手的伸缩、升降、抓取。在根据仿真图的基础上，通过分析了机械手运动过程与液压缸行程，设计了机械手的控制系统。同时进行了硬件电气回路设计与软件设计，使其精度更高。并在ADI LTspice仿真系统上进行了调试与测试。结果证明，本系统运行稳定，精度得到提升，能够实现机械手的上升、前伸、抓取、回转、下降、松开、复位等多个动作流程，基本满足机械手液压系统控制要求，具有较高的应用价值。关键词：PLC控制；机械手；液压系统；系统设计；仿真分析1 设计需求机械手是一种能够自动抓取和搬运的机械装置，可根据具体工艺要求完成各类复杂动作。机械手可基本代替人工操作，不仅能够减少人工成本，还可提升工业生产效率，从而加快制造业自动化进程。随着现代技术的飞速发展，机械手在制造业中的作用日渐显著，已成为制造业的重要构成1。但在具体应用中，普通机械手缺少自动调节与传感器反馈能力，难以检测外部环境或工作位置的改变情况，易使机械手出现损坏情况2。此外，在工业生产中通常使用气动机械手，因气压传动输出功率较小，导致气动机械手仅能在输出负载小的工作中使用。鉴于这些问题，拟设计一种基于 PLC 控制的机械手液压系统，该系统既可抓取、搬运并放下物体，且输出功率大，能够代替人工劳动，实现生产自动化的目标。通过系统的设计、仿真分析以及测试可知，该系统能够基本实现自动抓取、搬运以及运行稳定等要求，具有显著的应用价值。图 1机械 A 手液压系统架构2 系统整体架构设计本系统可控制机械手进行上升、前伸、抓取、回转、下降、松开、复位等操作，系统整体包括液压控制系统、电气控制回路、软件、各类传感器等，本设计采用多个软件与传感器对机械手在运行中的位置进行监控，具体如图 1 所示。3 控制系统设计本系统机械手采用液压驱动，通过液压缸完成机械手臂的收缩、抓取、升降等操作，具体工作形式如图 2 所示。根据工作要求，机械部分由手臂的升降、伸缩、回转等模块组成，各模块均由液压缸来驱动控制。机械手的动作循环过程为：上升前伸抓取回转下降松开复位停止。在机械手液压系统中，液压缸的组成包括：回转单叶片摆动缸；升降单缸液压缸3；伸缩单缸活塞液压缸；抓取无杆活塞缸。液压系统整体设计过程会涉及诸多液压图 2机械手液压控制系统18|电子制作2023 年 7 月电子技术元件，例如单向阀、控制阀、传感器、开关等。3.1 控制核心选择与输入/输出分配机械手液压系统控制核心为 PLC，本设计选择 S7-300，并结合设计实际情况对输入/输出接口进行分配，具体如表 1 所示。表1输入/输出接口分配输入接口输出接口启动开关（S1）I00下降电磁阀Q00停止开关（S2）I01上升电磁阀Q01高限位开关（S3）I02右移电磁阀Q02低限位开关（S4）I03左移电磁阀Q03左限位开关（S5）I04抓取电磁阀Q04右限位开关（S6I05下降开关（S7）I10上升开关（S8）I11抓取开关（S9）I12左移开关（S10）I13右移开关（S11）I14检测开关（S12）I15 3.2 外部接线根据 S7-300 的输入/输出接口分配情况及现实工作实际，设计出具体的 S7-300 外部接线图，如图 3 所示。图 3S7-300 外部接线图 3.3 运动顺序为了确保机械手能够按照设计动作进行操作，控制液压缸的电磁阀应根据特定顺序依次完成动作，分析机械手的动作过程可得到其动作顺序，具体如表 2 所示。表2机械手动作顺序顺序1YA2YA3YA4YA5YA6YA上升失电失电失电失电得电失电前伸得电失电得电失电失电失电抓取失电失电失电失电失电失电回转失电失电失电失电失电得电下降失电失电失电得电失电得电松开得电失电失电失电失电得电复位失电得电失电失电失电得电 3.4 工作流程（1）上升。机械手上升动作由三位四通电磁阀控制，当 5YA 得电之后，三位四通电磁阀右位工作，液压缸开始上升，从而让机械手上升4。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源单向阀右位电磁阀调速阀液压缸下腔；回油路流程表示为：液压缸上腔调速阀右位电磁阀油箱。因液压缸上升速度受调速阀所控，所以其运动比较平稳。（2）前伸。机械手的前伸由三位四通电磁阀控制，当3YA 得电后，三位四通电磁阀右位工作，液压缸右移动，使机械手做前伸动作。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源单向阀右位电磁阀液压缸左腔液压缸右移；回油路流程表示为：液压缸右腔调速阀右位电磁阀油箱5。当 1YA 得电后，二位四通电磁阀右位工作，完成机械手的松开动作，油路连接包括进油路与回油路：进油路流程表示为：液压源单向阀右位电磁阀液压缸左腔液压缸下移；回油路流程表示为：液压缸下腔右位电磁阀油箱。（3）抓取后回转。当 1YA 失电后，活塞向上移动，使机械手做抓取动作。机械手回转动作由三位四通电磁阀控制，6YA得电之后，三位四通电磁阀右位工作，马达逆时针运转，从而让机械手回转。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源单向阀右位电磁阀马达左腔回转；回油路流程表示为：右位马达右位电磁阀油箱。（4）下降。机械手下降动作由三位四通电磁阀控制，4YA 得电之后，三位四通电磁阀左位工作，6YA 同时得电，液压缸向下移动，从而让机械手下降。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源单向阀左位电磁阀液压缸上腔下降；回油路流程表示为：液压缸下腔顺序阀左位电磁阀油箱。（5）松开后复位。当 1YA 失电后，活塞向下移动，使机械手做松开动作。此时，当 6YA 得电后，三位四通电磁阀右位工作，机械手开始回转6。机械手复位动作由三位四通电磁阀控制，当 2YA 得电后，三位四通电磁阀左位工作，液压缸向左移动，从而让机械手缩回。油路连接包括进油路与回油路，进油路流程表示为：液压源左位电磁阀调速阀液压缸右腔液压缸左移；回油路流程表示为：液压缸左腔左位电磁阀油箱。此时，当 6YA 得电后，机械手依然处于回转状态，当 6YA 失电后，三位四通电磁阀左位工作，马达顺时针运转，进而完成反转动作。4 电气回路设计根据机械手动作顺序进行电气回路设计，具体如图 4所示。在机械手液压系统中，电气控制主要通过开关、继电wwwele169com|19电子技术器、电磁铁、传感器进行调节。（1）上升：按下 T1，K1得电且常开触点闭合，处于初始位置的S1被按下，5YA得电，使机械手进行上升；（2）前伸：当机械手上升到一定高度时会触碰 S4，1YA 与 3YA 得电，此时 K2 也会得电且常闭触点断开，导致 5YA 失电，由此完成机械手的前伸与松开动作；（3）抓取后回转：当机械手前伸到一定位置时会触碰 S2，K3、K4 得电且常闭触点断开，使 1YA 与 3YA 失电，从而让机械手抓紧工件7。当 K4 常开触点闭合、B2 感应到机械手抓紧工件时，K5 得电且常开触点闭合，6YA 与 K6得电，由此让机械手进行回转；（4）下降。当 K6 常开触点闭合后，4YA 得电，机械手做下降动作；（5）松开后复位：当机械手降至一定位置后会触碰 S3，此时 K7 得电且常闭触点断开，分别使 4YA 与 K3 失电，使 1YA 二次得电，机械手做松开动作。当 K7 常开触点闭合、B1 感应到机械手松开工件时，K8 得电且常开触点闭合，2YA 与 K9 得电，K9 常闭触点断开，使 1YA 失电，由此完成机械手复位动作。5 软件设计当工件被输送带传送过来后，限位开关闭合控制工件到 图 4机械手液压系统电气回路图 5软件设计流程位，机械手从原点开始下降，当降至最低时会触碰下限位开关，下降停止并接通夹紧电磁阀夹紧工作8。上升电磁阀通电后机械手开始上升，至一定高度后会触碰上限位开关，此时上升停止并向右移动，当触碰右限位开关后下降，触碰下限位开关，此时下降电磁阀与夹紧电磁阀断电，机械手松开工件后开始上升，当触碰到上限位开关后左移，当移动至原点后触碰左限位开关，左移电磁阀断电后复位。至此，机械手搬运工件的过程便结束。机械手完成这些动作是通过液压系统进行驱动，先采用 S7-300 控制电磁阀，并用电磁阀所控的液压系统驱动机械手运动，系统软件设计流程如图 5 所示。图 6机械手液压系统仿真6 系统仿真根据运转要求在 ADILTspice 上绘制机械手液压回路与电气回路，并对其进行系统仿真。结果表明，本系统能够20|电子制作2023 年 7 月电子技术满足机械手的运转要求，并按照运转顺序进行连续动作。在此仅以机械手回转为例来对仿真过程进行验证，具体如图 6所示。当按下 T1 时，K1 得电且常开触点开始闭合，同时触碰 S1，5YA 得电，电磁阀右位工作，液压缸向前移动，机械手上升。当机械手上升到一定程度时，按下 S4，此时1YA、3YA 得电，电磁阀右位工作，液压缸下降，机械手松开。同时，K2 得电且常闭触点断开，此时 5YA 断开，电磁阀常态化工作。当机械手前伸触碰 S2，使 K3、K4 得电。K3、K4 常闭触点断开，使 1YA 与 3YA 失电，电磁阀常态化工作，液压缸向上移动，机械手抓紧。当 K4 常开触点闭合、B2 感应到机械手抓紧工件时，K5 得电且常开触点闭合，使6YA 得电，电磁阀右位工作。当液压缸伸出后即可实现机械手的回转。7 系统测试在 ADILTspice 上根据仿真图与元件明细选择并安装元件，根据进油路与回油路对其连接，连接时务必要仔细，不可出现漏接或错接的问题。同时，根据 PLC 控制图做好电路连接，完成回路组装，在确定连接无误后运行系统并开始进行测试。测试结果表明，本系统能够在 ADILTspice 上模拟动作过程，实现了机械手臂上升、前伸、抓取、回转、下降、松开、复位等多个动作流程，并可循环进行工作，基本实现了设计的目的与要求。与传统驱动相比，本系统控制具有传递功率高，传动平稳性强等优势。8 结语综上所述，液压机械手目前已被广泛应用于制造业领域。对机械手液压系统进行设计，讨论液压机械手要实现的功能，并对机械手臂伸缩、升降、夹紧、回转等动作进行分析。系统测试后进行分析可得出：（1）本系统采用电磁阀转向，与PLC控制结合，具有操作便捷及自动化程度高等特点；（2）本系统通过单杆液压缸驱动机械手运动，由单向阀控制其速度，同时通过回油路节流调速，运动较为稳定；（3）本系统通过立式液压缸控制机械手臂升降，为支撑部件自重，回路由采用平衡回路，能够避免机械手速度过快或失控下滑；（4）为了使抓取工件后不受波动影响，并且为了能够保证抓紧工件，回路采用失电抓取来控制，这样能够提供更为安全可靠的工作状态。本系统应用多样化，可将其应用到各行业的工件、物料搬运或堆垛作业，例如冶金、建材、机械制造等。参考文献 1 喻远洋，彭亮，杨加豪，等.液压式机械手的自动化与智能化应用 J.湖北农机化，2020（16）：141-142.2 王雯，张晗，张健.基于西门子 PLC 的工业机械手运动监控系统设计 J.自动化技术与应用，2018，37（12）：88-91.3 李春雪，李环宇，谢文庆，等.多自由度液压机械手设计 J.内燃机与配件，2021（19）：82-83.4 纪辉，兰宇，武子为，等.面向水下作业的水液压机械手研究与展望 J.机械工程学报，2022（07）：12.5 沈品品.新型液压支架快速撤除机械手的实践应用研究 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