基于PLC的焊接机械手控制系统设计与实现

摘要：机械手是一种高科技自动化装置，在先进制造领域中机械手的应用极其广泛。文章设计了PLC控制的焊接机械手控制系统，能够实现在同一平面内X轴与Y轴两个方向的直线焊接以及在同一平面内的圆弧焊接功能。利用机械手控制系统焊接加工自动化，大大地提高了生产效率。

关键词：PLC；焊接机械手；控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0016-02

随着自动化控制技术的飞速发展，机械手在很多环境下能准确完成预期的工作并能模拟人的适应性，这使得机械手的应用越来越广泛。焊接是装备制造业中最为常用的加工方法之一，由于焊接加工产生的烟气与火花使得工作环境比较恶劣，为了尽量减少环境条件对人身造成的伤害，设计了一种PLC控制的焊接机械手，专用于某建筑机械厂塔吊构件的焊接加工，提高了焊接车间自动化程度，减少了环境对人体的伤害。该焊接机械手因具有作用灵活方便与价格便宜等优点具有较好应用价值。

1 机械手的现状和发展

因机械手能够在有毒、有害、危险、高热和低温等恶劣条件中的工作进行替代，对人的一些单调重复、繁重劳动进行代替，从而大大提高劳动生产率，进一步提升产品质量。我国机械手的应用是从20世纪70年代开始的，经过30多年的发展，机械加工、焊接、装配、上下料、搬运及喷漆、医疗等行业均有机械手的应用。目前主要集中在制造业，尤其是通用机械、汽车、电器制造以及加工金属和塑料等工业。计算机集成制造系统和柔性制造系统的构成，使生产自动化得以实现。

随着生产自动化的持续发展，网络技术、激光技术、传感技术、机器人的智能水平及机械手的发展领域都得到了极大的提高和扩展，众多领域越来越离不开机械手。随着机械手的性能、质量的加强，其已由传统的汽车制造领域向外进一步扩展延伸，高质量的机械手与较低的运行成本，必将使机械手在各个领域中得到极为广泛的应用。

2 设计选择PLC机型的原则

2.1 满足控制功能的要求

PLC在控制功能方面主要考虑的是逻辑运算、算术运算、定时、计数等功能要求，是否要有模拟量的输入与输出功能要求，在考虑输入与输出点数的要求时应该留有余量以备用。另外还要考虑是用晶体管输出型还用继电器输出型，是否要具备网络通信功能等。

2.2 安装方式要适合

PLC多台联网的分布式、远程I/O式、集中式是安装PLC系统的三种方式。

对于大型系统来讲，远程I/O式是一种比较适合的方式，它具有分布范围广的特点，远程I/O可以在现场装置附近分散安装，它不需要太长的连线，然而远程I/O电源和驱动器需要加以增加设置；不需要对驱动远程I/O硬件进行设置的是集中式，这个系统的特点是具有快捷的反应、低廉的成本；多台PLC联网的分布式常常适合应用于多台设备之间相互联系，但又能够各自独立进行控制的场合。

降低成本对于工厂小批量生产是非常重要的，所以集中式的安装方式是此系统的较好选择。

2.3 结构型式要合理

整体式和模块式是主要的两种PLC的结构型式：

在平均价格上每一个在PLC整体式上的I/O点与模块式比较要低很多，而且它还有另外一个特点，就是它的体积较小，通常在小型控制系统中大为推广；而PLC模块式具有非常优越的功能特点，它在进行扩展的时候灵活方便，具有较大的选择余地，且维修起来非常方便，在纷乱繁琐的控制系统中得以大量应用。

3 机械手控制要求与PLC的选用

考虑到本PLC控制机械手的特定控制要求，需要实现同一平面内X轴方向与Y轴方向的直线焊接与同一平面内的圆弧焊接功能。输入主要有X轴方向焊接选择、Y轴方向焊接选择、圆弧焊接选择、启动按钮、停止按钮、限位开关与位置检测传感器，输出主要通过中间继电器隔离后再控制电磁阀驱动机械手的各个气缸运动。本系统中用五个气缸分别用于机械手的X轴方向移动、Y轴方向移动、旋转运行、机械手升降移动、手爪夹紧控制。根据机械手的控制要求及PLC的性能特点，选择西门S7-200 PLC，CPU为226AC/DC/RLY，有24点输入与16点继电器输出即可满足控制要求。

4 气动控制回路设计

根据机械手的控制要求，五个气动缸的气动控制回路如图1所示，在每个气缸的进气与出气管均安装有节流阀，可调整气流的大小，达到气缸移动与旋转速度的调节

作用。

5 PLC的I/O地址分配

根据机械手输入/输出点数，为了方便PLC的外部接线及程序设计，将PLC的I/O地址分配如表1所示：

6 PLC外部接线图

根据PLC的I/O地址分配表，设计如图2所示的PLC外部接线图：

7 程序设计与调试

焊接机械手的程序设计思路，首先是检测机械手是否在原点位置，正常则常亮，否则故障指示灯按1Hz频率闪烁。然后根据X轴焊、Y轴焊、圆弧焊的选择情况，按下启动按钮即进行焊接加工，按下停止按钮时暂停焊接，再次按下启动时接着焊接，直到焊接完成为止。在加工过程中按下急停按钮，机械手立即停止，自动反回原点位置。由于同一批工件的焊接行程是一致的，在調试过程中应先根据焊接行程调整好气缸行程的检测传感器位置然后固定好传感器。

8 结语

经过对焊接机械手在某建筑机械厂进行现场调试，本系统控制的焊接机械手能够完成预定的功能，能在恶劣环境下代替人工操作，大大地提高了生产效率，节约了人力成本，具有很大的实用价值。

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作者简介：谢祥强（1973—），男，广西岑溪人，广西电力职业技术学院讲师，工程硕士，研究方向：数控机床、电气控制技术。

（责任编辑：周加转）