王　雷，李　明，楊成剛，魏書平，何慧娟，劉春景

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽 蕪湖　241000；

2.先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖　241000；

3.蕪湖港儲運(yùn)股份有限公司，安徽 蕪湖　241006；

4.蚌埠學(xué)院 機(jī)電系，安徽 蚌埠　233030)

工業(yè)送料機(jī)構(gòu)設(shè)計、建模與PLC控制

王雷1，2，李明1，2，楊成剛3，魏書平1，2，何慧娟1，2，劉春景4

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽 蕪湖241000；

2.先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖241000；

3.蕪湖港儲運(yùn)股份有限公司，安徽 蕪湖241006；

4.蚌埠學(xué)院 機(jī)電系，安徽 蚌埠233030)

摘要：研究了通過PLC控制的自動送料裝置，包括總體方案設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模、液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、PLC控制與編程等。對編制的程序進(jìn)行了相應(yīng)的邏輯調(diào)試及驗證。結(jié)果表明：所編制的程序正確、有效。該研究成果為復(fù)雜送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計與控制提供參考。

關(guān)鍵詞：送料機(jī)構(gòu)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；建模；液壓驅(qū)動；PLC控制

現(xiàn)代機(jī)械制造企業(yè)要提高產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化程度和生產(chǎn)效率，首先必須從自動化送料機(jī)構(gòu)開始，因此工業(yè)送料機(jī)構(gòu)在工業(yè)自動化生產(chǎn)中起著十分重要的作用[1-6]。近年來，由于PLC在控制性能、硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢，其在工業(yè)自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。本文應(yīng)用PLC控制自動送料裝置，主要研究內(nèi)容包括總體方案設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模、液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、PLC控制與編程等。

1工業(yè)送料機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計及選取

1.1　工業(yè)送料機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計

對工業(yè)送料機(jī)構(gòu)的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾取、搬運(yùn)和釋放物料，這就要求它具有精度高、反應(yīng)速度快、承載能力強(qiáng)、工作空間范圍大、自由度靈活及能自動定位在任意位置等特性。本研究設(shè)計的送料機(jī)構(gòu)將物料從一個工位搬運(yùn)到另一個工位，以此實現(xiàn)物料的靈活轉(zhuǎn)換[7]。

由于送料機(jī)構(gòu)的位置功能主要是在兩個工位之間進(jìn)行工件(物料)的搬運(yùn)，所以對整個送料機(jī)構(gòu)的自由度要求不是很高，2~3個自由度即可滿足要求。

根據(jù)物料是在兩個工位之間運(yùn)送的相關(guān)要求，在對大量的文獻(xiàn)進(jìn)行了分析與總結(jié)后擬定出以下3種工業(yè)送料方案。

1) 方案1

原理如圖1所示。方案1的工件送料機(jī)構(gòu)有2個自由度，也就是圖1中沿A氣缸方向和沿B氣缸方向，工件只能在這兩個方向運(yùn)動?；竟ぷ髟恚河肁、B兩個氣缸將工件從料倉中傳遞到滑槽。按下按鈕，氣缸A伸出，將工件從料倉推出，推到目標(biāo)位置后氣缸B將其推入輸送滑槽；工件傳遞到位后，A缸回縮，接著B缸回縮，工件機(jī)落入接料槽；依此循環(huán)往復(fù)，完成周而復(fù)始的送料。

2) 方案2

原理如圖2所示[8]。方案2的送料機(jī)構(gòu)有2個自由度，即沿水平移動氣缸方向和沿垂直移動氣缸方向?；竟ぷ髟恚菏紫热∥镅b置(負(fù)壓吸盤)抓取物料，燃火水平氣缸和豎直氣缸運(yùn)動，到達(dá)相應(yīng)的位置后取物裝置放下物料，再回到物料搬運(yùn)的起點，這樣循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)兩個工位間的物料搬運(yùn)。

圖1　方案1原理

1.水平移動氣缸；2.垂直移動氣缸；3.立柱 ；4.擺動氣缸；

3) 方案3

原理如圖3所示[4]。方案3的機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩個工位間的移料動作，手臂具有回轉(zhuǎn)、升降及伸縮運(yùn)動。該送料機(jī)構(gòu)具有3個自由度，即回轉(zhuǎn)自由度θ(正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))、升降自由度x(上升和下降)和伸縮自由度r(伸出和縮回)。被抓取工件是水平抓取，然后水平放置，搬運(yùn)過程中無需改變工件的姿勢，因此可以省略手腕模塊(只設(shè)計夾緊和放開，而不設(shè)計抓取手腕的回轉(zhuǎn))。根據(jù)工件外形(圓形物料)，夾持部分采用兩指手爪，具有一個開合運(yùn)動(夾緊和放松)[4-5]。

1.2　工業(yè)送料機(jī)構(gòu)方案評價及選取

方案1的優(yōu)點：只有A和B兩個氣缸，結(jié)構(gòu)簡單，物料只有2個自由度，操作和控制方便，基本能實現(xiàn)兩個工位間物料運(yùn)輸。

方案1的缺點：整個送料機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為2，所以靈活性低，只能在1個平面內(nèi)送料，且沒有物料抓取裝置，所以實用性、通用性不高。

方案2的優(yōu)點：有2個氣缸和1個抓取裝置，結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)抓取物料、水平和豎直移動這3個動作，操作和控制也比較方便，可以實現(xiàn)兩個工位間物料的運(yùn)送問題。

方案2的缺點：與方案1類似，只有2個自由度，所以整個機(jī)構(gòu)的靈活性不高，而且只能在1個平面內(nèi)送料，盡管有取物裝置，但其通用性不高。

方案3的優(yōu)點：較前兩個方案該機(jī)構(gòu)自由度為3，所以靈活性比前兩個方案要高；另外該方案能實現(xiàn)空間任意位置物料的運(yùn)送，其通用性、實用性也比較好；有機(jī)械抓取裝置，對物料外形要求較低。

方案3的缺點：機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作和控制也較繁瑣。

在充分考慮整個送料機(jī)構(gòu)的靈活性和實用性的基礎(chǔ)上，選取方案3作為設(shè)計的送料機(jī)構(gòu)方案，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

圖3　方案3原理

2工業(yè)送料機(jī)構(gòu)建模

工業(yè)送料機(jī)構(gòu)(本文指機(jī)械手)結(jié)構(gòu)可分為基座、立柱、手臂、手腕、手部等模塊。各個模塊根據(jù)功能需要又可進(jìn)一步劃分。機(jī)械手的各組成部分如圖4所示[9]。

圖4　機(jī)械手的各組成部分

2.1　工業(yè)送料機(jī)構(gòu)的手部設(shè)計

各組成部分需要完成特定的功能。首先設(shè)計手部模塊。由于本文所運(yùn)送的物料為圓形棒料，因此選用連桿杠桿式，具體建模過程如圖5、6所示。建立各個連桿三維模型后，得到手部裝配情況，如圖7所示。

圖5　手部連桿1三維模型

圖6　手部連桿2三維模型

圖7　手部裝配情況

2.2　工業(yè)送料機(jī)構(gòu)的手臂部分設(shè)計

手臂是支撐手部和工件并使它們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)[3]。手臂一般有3個方向的運(yùn)動：伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降，其中旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動是由橫臂和立柱完成。

1) 送料機(jī)構(gòu)橫臂設(shè)計

作直線運(yùn)動橫臂的結(jié)構(gòu)基本上是由驅(qū)動液壓缸和導(dǎo)桿組成，液壓缸采用雙作用單活塞桿實現(xiàn)橫臂往復(fù)運(yùn)動，結(jié)構(gòu)上采用液壓缸體固定在橫臂支撐上，活塞桿運(yùn)動，橫臂最大行程為200 mm。根據(jù)上述要求設(shè)計出一種橫臂支撐裝置，如圖8所示。

送料機(jī)構(gòu)在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉(zhuǎn)動，以及加大承載能力、提高運(yùn)動精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。本送料機(jī)構(gòu)將液壓缸缸體固定在橫臂支撐上，導(dǎo)桿穿過旁邊小孔，這樣可以有效避免旋轉(zhuǎn)，提高承載能力和運(yùn)動精度。根據(jù)上述要求建立三維模型，再將其進(jìn)行裝配，如圖9所示。

圖8　橫臂支撐裝置

圖9　橫臂裝配圖

2) 送料機(jī)構(gòu)豎直臂設(shè)計

豎直臂與橫臂類似，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)為液壓缸驅(qū)動，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為單導(dǎo)桿導(dǎo)向，其最大行程為100 mm。最后將導(dǎo)桿和套筒進(jìn)行裝配，如圖10所示。

2.3　送料機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及底座設(shè)計

實現(xiàn)送料機(jī)構(gòu)手臂回轉(zhuǎn)的運(yùn)動形式有多種。本送料機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，即通過齒條往復(fù)移動帶動與手臂聯(lián)接的齒輪往復(fù)運(yùn)動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。裝配圖如圖11所示。

圖10　豎直臂裝配圖

圖11　軸及其軸上零件裝配圖

底座是送料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)部分，是支撐起送料機(jī)構(gòu)的構(gòu)件。送料機(jī)構(gòu)底座安裝一根軸、向心球軸承和推力球軸承，底部還要留有一定空間用于安裝齒條。結(jié)合以上要求設(shè)計出的送料機(jī)構(gòu)底座如圖12所示。

2.4　送料機(jī)構(gòu)三維裝配圖

利用虛擬裝配技術(shù)得到送料機(jī)構(gòu)的裝配圖，如圖13所示。

圖12　送料機(jī)構(gòu)底座零件圖

圖13　送料機(jī)構(gòu)的裝配圖

3液壓驅(qū)動原理圖設(shè)計

本次設(shè)計的送料機(jī)構(gòu)要完成移料動作，因此需要對液壓缸的位置進(jìn)行精確控制[10]。每一個送料機(jī)構(gòu)里的自由度對應(yīng)的液壓缸在送料過程中僅有兩個位置供停止。由于實際應(yīng)用情況的變化，液壓缸活塞往往需要停留在中間位置?；诖?，本文中送料機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)液壓缸采用鎖緊回路，可使液壓缸活塞在任意位置停止，并防止其停止后竄動。另外，為了防止立式液壓缸和垂直運(yùn)動的工作部件由于自身重力而超速下降，或在下行運(yùn)動中由于自重而導(dǎo)致發(fā)生失控、失速等不穩(wěn)定運(yùn)動，液壓系統(tǒng)中必須設(shè)置平衡回路?；谝陨戏治?，設(shè)計的液壓系統(tǒng)原理如圖14所示。

圖14　液壓系統(tǒng)原理

4工業(yè)送料機(jī)構(gòu)PLC控制程序設(shè)計

送料機(jī)構(gòu)的循環(huán)動作為：下降→夾緊→上升→正轉(zhuǎn)→伸出→放松→縮回→反轉(zhuǎn)→下一循環(huán)。按照此循環(huán)動作，設(shè)計了輸入和輸出之間的分配關(guān)系[11-12]，如表1所示。

表1　輸入和輸出之間的分配關(guān)系

根據(jù)實現(xiàn)控制功能的要求，編制控制程序梯形圖，如圖15所示(截取部分)。對編制的程序進(jìn)行了相應(yīng)的邏輯調(diào)試及驗證，結(jié)果表明，所編制的程序是正確和有效的。

圖15　程序梯形圖(部分)

5結(jié)束語

本文根據(jù)要完成移料動作的功能要求，對自動送料裝置進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括總體方案設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模、液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、PLC控制與編程等。對編制的程序進(jìn)行了相應(yīng)的邏輯調(diào)試及驗證。PLC具有使用靈活、操作可靠、工藝參數(shù)修改方便等特點，采用后可以大大提高設(shè)備的自動化水平和經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯劉舸)

收稿日期：2015-02-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51305001)；安徽省自然科學(xué)基金資助項目(1208085QE94, 1308085ME65)；安徽省高等教育提升計劃省級自然科學(xué)研究項目(TSKJ2014B12)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410363016)

作者簡介：王雷(1982—)，男，安徽亳州人，博士，副教授，主要從事數(shù)字化設(shè)計與智能制造方面的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.004

中圖分類號：TP241

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-8425(2015)07-0024-05

Design, Modeling and PLC Control of Industrial Feeding Mechanism
WANG Lei1,2, LI Ming1,2, YANG Cheng-gang3,

WEI Shu-ping1,2, HE Hui-juan1,2, LIU Chun-jing4

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University,

Wuhu 241000, China; 2. Anhui Key Laboratory of Advanced Numerical Control and

Servo Technology, Wuhu 241000, China; 3. Wuhu Port Storage & Transportation Co.,LTD.,

Wuhu 241006, China; 4. Department of Mechanical & Electronic Engineering,

Bengbu University, Bengbu 233030, China)

Abstract:The control on automatic feeding device by using PLC soft was studied, including its overall scheme design, the design and model of the mechanical structure, design for hydraulic drive system, PLC control, programming and so on. The program logic debugging and verification of the corresponding were carried out. The results show the correctness and effectiveness of the program, which can provide a reference for the design and control of complex feeding mechanism.

Key words：feeding mechanism; mechanical structural design; modeling; hydraulic drive; PLC control

引用格式：王雷，李明，楊成剛，等.工業(yè)送料機(jī)構(gòu)設(shè)計、建模與PLC控制[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015(7):24-28.

Citation format：WANG Lei, LI Ming, YANG Cheng-gang, et al.Design, Modeling and PLC Control of Industrial Feeding Mechanism[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(7):24-28.