基于PLC的翻转机控制系统设计

李进 高明 刘向波 陶坦 邓晓航 吴岳敏

摘要：传统的吊装方法通常是利用天车来实现吊装，对于大型粗糙构件来说，这种吊装方法是可行的，但对于精度要求高、外形特殊的构件，往往需要设计出满足具体要求的吊装机构。工件在线上完成某道工序后，要翻转上下面进行下一道工序加工。在传统的生产中，采用手工翻转工艺，随着自动化水平的不断提高，生产线的机器人辅助翻转逐渐取代了传统的翻转方式。本文由机器人的翻转机构进行系统设计，通过两机器人与翻转机构的配合即可完成翻转机构的翻转，从而实现工件的上下面翻转。

中图分类号：G4 文献标识码：A

一、系统总体方案设计

1.1傳统翻转机的难点

工业翻转机是工业生产中常见的机器，广泛应用于冶金、冲压、钣金、模具、造纸、冷藏、钢带、线盘、桶料、卷料等行业。但在翻转机的实际应用中仍存在着许多问题等待克服。其中最急需解决的两个主要问题是：（1）大工件重量大，尺寸规格大，用传统的翻转机难以实现。（2）对于精度要求高、外形特殊的工件，需要设计满足特定要求的翻转机。这些瓶颈严重阻碍着翻转机的自动化， 同时也是本次设计所需探讨和研究的的关键性问题。

1.2机器人辅助冲压翻转机的方案

虽然传统的冲压工艺是手工翻转，但随着冲压自动化水平的不断提高，冲压自动化生产线已逐渐取代了传统的手工翻转。其中，采用了两个六自由度机器人，它们之间可以直接交换翻转方向;采用了五自由度非标机器人，它们需要借助于临时支撑架来完成翻转;采用四自由度非标机器人，它们需要两个非标机器人和一个翻转机来完成翻转方向。本文是一种采用四自由度非标准机器人的翻转系统。经过多方面的资料的查阅和研究，最终决定用三菱FX3U-64MT 的PLC来用作整个系统的控制部分。

二、系统整体方案设计

在这一节中，我们将在现行翻转机系统上展开分析改进，综合考虑设备性能、成本等诸多因素，设计提出一款自动化程度高、使用便捷的翻转机控制方案。

第一步是介绍具体的翻转要求，由机器人将零件放入翻转机座上，翻转机座感测系统感应翻转零件，再进行翻转，使翻转机座上的零件上下换面。为了满足这一要求，一般要求工件装好后，需要夹紧机构将工件夹紧，旋转机构将工件翻转180°，再松开夹紧机构。左、右翻转机构如图1所示。整机主要由零件夹紧机构、翻转机构、支撑架三部分组成。工件夹紧机构主要由一个可伸缩的气缸、铝型材支承支架和多个定位块组成;翻转机构主要由一台步进电机配有减速器、膜片式联轴器、轴承和旋转支承板组成，旋转支承板固定在旋转支承板上，减速器传动比设计为15∶1;支承架主要由一个矩形底箱和两个带横杆的立柱组成，控制电箱置于底箱内，三色报警指示灯安装在横杆上。

放料至下盖板，由定位块定位，翻转台面上盖板，由缸盖推动下移，使上下盖板闭合，并夹紧工件;翻转台面，翻转到位，翻转台面上盖板，打开缸盖，实现物料上下表面的换料;翻转台面，完成一次翻转动作;再次放料，气缸动作，上下盖板闭合;翻转器可以在一个动作周期内完成两次翻转。翻转机构复位后，放置部件的料材在水平位置，自动运转过程中，反复进行上述操作。

三、系统总体设计

如果把硬件的各个部分比作人类的肢体，那么控制程序就是人类的思想。并通过设定相应的控制程序运行参数，对运行状态进行反馈处理，使各电机有效协同工作。就是通过控制程序，将系统中分散的各个硬件进行整合和调动，形成一个整体。可以说，控制程序是整个系统设计的核心。

翻转机控制系统的控制程序可以分为HMI（Human Machine Interaction）触摸屏组态和PLC程序两大部分。HMI触摸屏组态程序主要负责人机界面的交互，负责对PLC的运行进行参数设置和实时监控。PLC程序负责按照触摸屏输入设置的相关系统参数去控制步进电机等硬件的运转。控制系统拓扑结构如图2所示

3.1HMI触摸屏组态设计

人机界面以触摸屏为硬件载体，用户可以通过人机界面与系统进行交互[19，20]。通过人机界面，用户不仅可以控制设备的起停，还可以对设备的参数进行设置、修改和监测系统的运行状态。 HMI采用的是一种简单的绘图操作方式，用户只需在相应的输入框中填入相应的参数即可完成参数的设置，大大简化了操作的难度。该系统的人机界面程序使用方便灵活。所写的相关程序可用于触摸屏操作，也可通过计算机自带的仿真软件调试模拟。

3.2 PLC相关程序设计

本收排控制系统采用单台PLC作为核心控制器件，集中控制步进电机、电磁换向阀等各工序步骤并完成与触摸屏之间的信息通讯。通过触摸屏可以实时控制监测PLC以及整个控制系统运行情况，同时PLC也将实时运行状况、运行状态信息回馈给触摸屏显示。PLC进相应的换算以脉冲+方向的方式驱动步进电机运转和电磁换向阀的运作。

3.3电气原理图

左、右转控制原理采用共阳极接法，即在步进电机驱动器上连接 STEP+、 DIR+、 EN+端口，在开关电源的24 V 端口连接，在 STEP和 PLC中的Y000连接，在 DIR+和Y001连接。夹紧松开由电磁阀控制， PLC通过Y7/Y10对线圈进行控制，从而实现夹紧松开。三色灯采用常亮闪光型接线方式。因三色灯中有红灯、黄灯、绿灯，蜂鸣器各工作电流各20 mA以上，故采用小型电磁继电器提高 PLC驱动三色灯的能力。就拿绿灯来说，Y3驱动电磁继电器的线圈，然后由电磁继电器的常触点来控制绿灯。

3.4程序流程

翻转机构控制系统有两种控制方式：手动和自动。人工操作主要完成上、下盖板的开启，上、下盖板的关闭，左翻转，右翻转和复 位。自控模式分为外控和内控两种：外控模式下，由外控器发出“开始翻转”的 I/O信号，翻转机进行动作，完成一次翻转，上、下盖板打开后，通过 I/O信号向外控器发出“开始翻转”信号，从而实现外控;内控模式下，由物料有无信号控制翻转台翻转。图5显示了系统控制流程。