單根立，蔣立坤，張栩俊，劉遙臻

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050081)

基于PLC的敷布機吊帶機械手的設(shè)計

單根立，蔣立坤，張栩俊，劉遙臻

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050081)

介紹一種基于PLC控制的自動紉線機械手，設(shè)計紉線機械手的機械結(jié)構(gòu)和氣動系統(tǒng)，并給出PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁、巷道防水布的生產(chǎn)，具有穩(wěn)定可靠的性能，提高了生產(chǎn)效率。

PLC;機械手;氣動系統(tǒng)

防水布是一種新型建筑材料，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、建筑、水利、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。防水布按其加工和生產(chǎn)的方法不同，分為機織防水布和非織造防水布。非織造防水布因其性能優(yōu)異、加工簡單、成本低廉等特點，已成為當今世界防水布發(fā)展的主要方向。防水布以非織造布作為載體，采用土工非織造布與塑性薄膜 (PVC，PU)復(fù)合而成的防滲性建材，通過涂層加工或者通過浸漬、組合、層疊、層壓加工技術(shù)，或者上述任意2種 (或以上)加工技術(shù)在某種程度的交叉結(jié)合所得到的材料，最終形成防水布。在橋梁、隧道、鐵路建設(shè)中，需將防水布固定在預(yù)制件中，防水布多采用2層或3層粘合而成，只有在無紡布中先打孔穿線，然后通過與塑性薄膜 (PVC，PU)復(fù)合粘結(jié)而成，才能實現(xiàn)防水性。

到目前為止，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)采用手工穿孔形式，不僅耗費了大量人力，生產(chǎn)效率低下，而且手工穿孔還導(dǎo)致預(yù)留在防水布外的線頭參差不齊等諸多問題。近年來，隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，機械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)，尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。因此利用機械手對無紡布進行穿孔將大大提高生產(chǎn)、使用效率。

1 機械手結(jié)構(gòu)和工作原理

機械手由剪刀架、氣缸、動夾、定夾、無桿氣缸、線軸、紉針組成，如圖1所示。

圖1 敷布機吊帶機械手結(jié)構(gòu)示意圖

機械手工作過程如下:

(1)系統(tǒng)得電工作后，定夾3處于夾緊狀態(tài)，氣缸伸出推動動夾8將線夾緊，使得線處于張緊狀態(tài)。

(2)氣缸推動剪刀架1伸出，一級氣缸伸出，使線進入穿線針5導(dǎo)向槽內(nèi)。

(3)剪刀夾將線剪斷同時定夾3松開，二級氣缸伸出。

(4)二級氣缸縮回，一級氣缸同時縮回，無桿氣缸通過滑套帶動動夾下行，將線拉到位，定夾夾緊，動夾回到頂部，準備下一個循環(huán)。

2 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

通過對吊帶機械手機構(gòu)的設(shè)計及工作原理的分析，設(shè)計了氣動控制系統(tǒng)。其氣動控制回路如圖2所示，由氣源、氣動三聯(lián)件、電磁閥、節(jié)流閥、氣缸組成。氣源工作壓力:最小0.6 MPa，最大0.8 MPa。氣缸換向通過二位五通電磁換向閥控制;其中為保證拉線無桿氣缸平穩(wěn)運行，拉線無桿缸回路采用單向節(jié)流閥來控制氣缸伸縮速度。

圖2 機械手氣動控制回路圖

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

如圖3所示，系統(tǒng)采用PLC控制，需要同時控制4套機械手上下運動進行穿線動作，為了達到機械手的精確定位及對布的同步追蹤，采用伺服電機進行控制。另外，為實現(xiàn)快速平穩(wěn)控制電機啟停，設(shè)計出步進電機的速度控制步驟及相關(guān)算法，通過A/D轉(zhuǎn)換器將電壓換算為電機速度，實現(xiàn)了對伺服電機升降速度的控制。電機通過同步齒形帶帶動齒輪齒條從而帶動機械手沿直線導(dǎo)軌上下往復(fù)運動。而機械手穿線、拉線及剪斷部分全部采用氣動控制，同時為了方便操作人員對設(shè)備的實時監(jiān)控及操作，采用了觸摸屏進行人機對話將十分直觀。

圖3 機械手控制系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)工作模式分為全自動模式、手動模式:在全自動模式下，機械手每隔10 s完成一次穿線，不停往復(fù);在手動模式下，機械手輸入的手動按鍵命令做單個方向動作。

3.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

PLC I/O地址分配見表1，由PLC控制電磁閥的通斷實現(xiàn)機械手在各自由度的運動。該系統(tǒng)核心是采用PLC為中央處理單元，輸入點有7個點，輸出點有8個點。輸入點分別有信號采集與模式選擇2種方式，線接頭識別傳感器與PLC的擴展模塊A/D轉(zhuǎn)換器相連，由接頭檢測4部分組成。模式選擇分別由自動、手動、停止3部分組成，另增設(shè)手動狀態(tài)下行程開關(guān)，作調(diào)試或檢修過程的控制開關(guān)。

表1 PLC I/O地址分配表

4 結(jié)束語

通過機械、電氣和PLC控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計，敷布機吊帶機械手可以廣泛應(yīng)用于防水布自動穿線。跟以往手動穿孔紉線相比，機械手更靈活，穿孔效率高，減少勞動力，為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本。實踐表明，該系統(tǒng)可以快速、準確地對控制要求作出反應(yīng)，具有可靠性高、靈活性強、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，而且大大提高了生產(chǎn)效率。

［1］羅庚興，寧玉珊.氣動安裝機械手的PLC控制［J］.制造業(yè)自動化，2011，33(1):82－84.

［2］周鴻杰，駱敏舟，李濤，等.基于PLC的工業(yè)取料機械手系統(tǒng)設(shè)計［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2010(3):50－52.

［3］劉偉軍.基于PLC的工件自動分選裝置設(shè)計［J］.傳感器檢測系統(tǒng)，2010(2):52－55.

［4］馬俊峰，唐立平.基于PLC的順序步進式控制系統(tǒng)設(shè)計研究［J］.液壓與氣動，2012(8):58－61.

［5］路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［6］丁時鋒，李清香.一種PLC控制的氣動送卸料機的設(shè)計［J］.液壓與氣動，2012(4):78－79.

［7］戴振華，謝懷鵬，戴孟，等.PLC控制的氣動翻壓套機械手［J］.機床與液壓，1999(2):69－70.

［8］張國政，劉有余.PLC控制的多工序氣動夾具設(shè)計［J］.機床與液壓，2012，40(10):40－43.

Design of the Sling Manipulator for Deposited Cloth Machine Based on PLC

SHAN Genli，JIANG Likun，ZHANG Xujun，LIU Yaozhen
(School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

A kind of automatic sewing manipulator based on PLC control theory was introduced.The manipulator's structure and the pneumatic system were designed as well as the PLC control system.The system was applied in production of waterproof cloth with table and reliable performance.The efficiency is improved.

PLC;Manipulator;Pneumatic system

TP271

A

1001－3881(2014)9－059－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.016

2013－03－04

單根立 (1964—)，男，碩士，教授，主要從事液壓、氣動技術(shù)方面的科研和教學(xué)工作。E－mail:jafo581@ 126.com。