基于PLC控制的钢筋网下料机械手控制系统

张佃平

（宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750021）

基于PLC控制的钢筋网下料机械手控制系统

张佃平

（宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750021）

针对设计的焊接钢筋网下料机械手，分析下料工作要求和机械手的结构和动作要求，给出机械手的工作流程，绘制控制系统原理图，利用PLC实现自动控制。通过PLC控制可以实现焊接钢筋网的自动抓取下料，并且能够按照生产要求实现多位置准确码垛。

钢筋网；PLC；机械手；设计

0 前言

钢筋网焊接过程中，钢筋网一般由人工完成下料和码垛作业，需要专人完成此项工作，成本高、效率低、码垛不准确，容易造成搭接焊点的损坏以及意外工伤事故[1-2]。有的钢筋网焊接设备上添加了钢筋网的自动下料装置，主要以定点落料为主，存在的问题是落料高度不能调整，落料过程中容易损坏搭接焊点，且只能实现单工位落料码垛，影响生产的连续性。

本研究针对钢筋网焊接过程中钢筋网的下料和码垛自动化的需求，以及现有设备中存在的问题，设计了一套机械手，利用PLC可以实现焊接钢筋网的自动抓取下料，并且能够按照生产要求实现多位置准确码垛。

1 总体设计

1.1 机械手机械部分

机械手的主要功能：（1）实现钢筋网的自动抓取；（2）按照预定码垛位置，完成钢筋网的提升、转运、下降和码垛功能，并且实现多个位置的码垛。

机械手机械部分主要由钢筋网抓取机构、提升机构、旋转机构以及机械手整体升降机构组成。机械手三维如图1所示。

1.2 机械手动作要求

机械手主要动作分析：PLC接到单张钢筋网焊接完成信息后，机械手下降到指定位置，此位置为机械手抓取动作开始的初始位置，由网焊机的工作台面确定。机械手稳定后手抓动作实现钢筋网的抓取，然后机械手整体提升，带动钢筋网上升到预定高度，此高度依据垛位的高低确定。机械手和悬臂带动钢筋网整体旋转，到达指定垛位稳定后机械手下降，手抓松开实现码垛，机械手下降的高度必须保

证码垛时不损坏焊点，所以一般要求待码垛钢筋网与垛面的高度差小于10 cm。机械手的主要动作部件以及功用如表1所示。

1—机架；2—旋转机构；3—提升立柱；4—整体提升机构；5—钢筋网提升机构；6—抓取机构。图1 机械手三维模型示意

表1 机械手的主要动作部件及功用

1.3 机械手码垛位置说明

为了实现高效码垛和充分利用车间位置，围绕工作台设置三个垛位。垛位位置与工作位置之间的位置关系如图2所示。钢筋网的焊接方向为从右向左，所以机械手首先对垛位三进行码垛，达到规定要求后，再逐次对垛位二、垛位一进行码垛。

图2 垛位分布示意

2 系统设计及实现

机械手需要实现钢筋网的抓取、提升、转运和码垛等主要操作，并且还要选择垛位位置。所以控制系统要求[3]：（1）必须保证动作的连续性和衔接性，并能实现高速、稳定和高效运动。（2）实时性高，动态响应性能好。（3）高可靠性、安全性和稳定性。（4）实现自动和手动间的转换，并具有垛位自识别功能。

综合钢筋网的下料和码垛要求，并结合控制系统的要求，设计的控制系统原理如图3所示。

图3 下料机械手控制系统原理

3 系统软件设计

整个系统是在PLC的协调控制下完成，调节过程中包括位置跟踪、传感器跟踪双级跟踪调节。软件运行流程如图4所示[4]。

为了实现钢筋网的准确抓取以及不影响焊接过程，采取两种方式相结合来判定钢筋网是否焊接结束。一是通过光电开关来判定最后一根钢筋网上料结束；二是通过PLC的计数器计数，并且根据钢筋网的不同规格实现可调。只有这两个条件同时满足，抓手才动作抓取钢筋网。

利用悬臂升程限高的方式来实现垛位的选择。当机械手码垛钢筋网悬臂到达限位开关位置，此垛位码垛结束，下次机械手将在下一个垛位开始码垛，以此类推。

4 结论

利用PLC简单方便的优点实现对钢筋网下料机械手的自动控制，可以实现钢筋网的准确码垛与多垛位码垛。程序设计具备手动和自动的相互转换，可以实现两种方式控制，完成钢筋网的抓取、转运

以及多垛位码垛，满足了设备设计的技术要求，极大提高了钢筋网焊机的自动化水平。

图4 下料机械手码垛流程框图

[1]李亚军，刘艳明.基于PLC的物流自动化包装线出库穿梭车的设计[J].制造业自动化，2014（10）：96-98.

[2]于会敏，李跃.网焊机专用机械手的设计[J].辽宁科技学院学报，2015，17（1）：25-27.

[3]张颖，来利根.全自动电焊机及其在煤矿的应用[J].矿山机械，2008，36（11）：4-6.

[4]张英华.焊接机器人工作的设计[J].电焊机，2014，44（8）：104-106.

Page 36砂轮磨削系统移动。

水平进给手轮24带动水平进给丝杠6旋转时，实现与水平进给螺母7配合运动，即可带动水平进给螺母7与水平进给螺母固定架板26与带轮固定板5、厚带轮固定板14一起水平移动，也就带动垂直进给丝杠9、17水平移动，进而使下面整个砂轮磨削系统随之水平移动。且运动过程中，水平支杠16与水平支撑环15配合滑动，保证水平进给运动平稳性。

3.5 设计特点

该打磨机用于工地焊轨底焊筋打磨，无需手持，劳动条件好，效率高，适应现场作业环境；可直接固定在钢轨上，解决了现有手持式砂轮必须手持操作的问题。与其他设备相比，砂轮厚度增大，效率更高，所需进给量小，进给无能运动简单，操作简便，更适合现场施工；自动化程度高，可加快施工整体进度，降低人工成本，且打磨质量易控。

在结构设计上，主要有以下特点：砂轮29厚度尺寸稍大于轨底宽度，只需在垂直和沿钢轨轴线两个方向进给运动；固定夹紧装置采用与钢轨底部尺寸对应的卡槽（设在固定夹板4上）；液压马达22输出轴与砂轮轴间采用弹性联轴器连接，结构紧凑，工作效率高；垂直方向进给运动采用同步带轮系统，保证运动平稳性；水平方向进给运动通过手轮控制丝杠与螺母配合运动实现，易操作；垂直进给螺母和水平进给螺母的材料选用黄铜。

4 结论

设计的主要目的是改变工地焊轨轨底焊筋打磨方式，提高轨底打磨质量，改善工作条件，解放部分劳力，提高整体工作效率。生产出的样机已经试用，操作方便，达到预期使用效果。

与现有技术相比，设计在以下方面有所改进：

（1）可固定到钢轨上，无需人工手持，劳动量少，节约人力。

（2）通过锁紧装置固定到钢轨上后，启动液压马达，操作手轮、通过传动系统实现进给运动，工作效率高。

（3）操作简单易控。

（4）采用定制厚砂轮，其厚度稍大于轨底宽度，工作时只需两个方向进给运动，在打磨量相同情况下所需进给运动幅度小，效率高。

参考文献：

[1]彭新义.钢轨打磨作业述评[J].铁道标准设计通讯，1989（8）：37-43.

[2]周清跃，田常海，张银花，等.高速铁路钢轨打磨关键技术研究[J].中国铁道科学，2012，33（2）：66-70.

[3]周丹麦，周世恒，戴虹.一种高精度的钢轨焊接接头仿形打磨系统[J].电焊机，2013，43（12）：49-52.

Design of automatical control system for welded steel fabric unloading manipulator based on PLC

ZHANG Dianping
（School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

After analyzingthe structure ofthe manipulator，and the work requirements，and the workingprocess ofthe manipulator is given，and drawthe principle diagramofthe control system，usingPLCtorealize automatic control.At the end realize the automatical control for the manipulator byPLC.The manipulator can grab the welded steel fabrics automatically，and stack the welded steel fabrics on multi positions.

welded steel fabric；PLC；manipulator；design

TG409

B

1001－2303（2016）09－0045-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.11

2015-10-20；

2016-08-30

张佃平（1981—），男，山东临沂人，讲师，主要从事机械制造和机械设计的教学与研究工作。