基于 PLC 的翻转机控制系统设计

时间：2021-11-21 16:29:07

关键字：翻转机控制系统外部控制器步进电机检测开关结构设计

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[导读]摘要：文中给出一种用于自动冲压生产线五金板材翻转的设计方案，该翻转机主要由夹持和翻转两部分组成。夹持部分由伸缩气缸、上下盖板和定位块组成；翻转部分由步进电机、减速机、联轴器和夹持部分支架组成。控制系统硬件由三菱 FX3U-64MT PLC、触摸屏 GOT1155、步进电机驱动器及若干检测开关构成，并且还具有内部和外部两种控制模式。外部模式时，由外部控制器通过 I/O 信号控制翻转台动作；内部模式时，可通过按钮或物料检测开关来控制翻转台。验证结果表明每 3 s 可实现 1 个板材的翻转节拍。

0 引言

在运输和加工过程中经常需要对零件进行翻转，传统方法一般采用天车实现翻转，这种吊装式翻转方法对于粗糙的大型构件比较适用，而对于精度要求高、外形特殊的构件，常常需要设计满足特定要求的翻转机。在冲压场合中，工件冲压完成常需要将上下表面翻转，送入下一冲压工序进行冲压。传统冲压生产由人工手动翻转，但随着冲压自动化水平不断提升，机器人辅助冲压自动生产线逐渐代替传统翻转方式。其中，有采用两个六自由度机器人，两者之间可直接交换翻转；对于采用五自由度非标机器人，则需借助临时承料台实现工件翻转和转移；对于采用四自由度非标机器人，可由两个非标机器人和一台翻转机配合完成。本文针对采用四自由度非标机器人的翻转机系统进行设计。

1 机械结构设计

1.1 翻转要求

首先由机器人将工件放置于翻转机的承料台上，翻转机感应到工件，然后进行翻转，这样就可实现被放置工件上下表面调换。要实现此要求，一般要求工件放置好后需要将工件夹紧，旋转机构将其翻转 180°，夹紧机构松开。

1.2 结构设计

左右翻转机的机械结构如图 1 所示。整个机构主要由工件夹持机构、翻转机构和支撑架三部分构成。其中，工件夹机构主要由一个伸缩气缸、铝型材承料支架和多个定位块构成；翻转机构是由一台配减速器的步进电机、膜片式联轴器、轴承和转动支撑板组成，其固定于转动支撑板上，设计的减速器传动比为 15∶1 ；支撑架主要由矩形的底箱和两根带上横杆的立柱构成，控制电箱放置于底箱内，三色报警指示灯固定于横杆上。

基于 PLC 的翻转机控制系统设计

2 控制设计

翻转机整个动作顺序如下：

（1）将物料放置到下盖板，由定位块定位，翻转台上盖板由气缸推动下移，使上下盖板闭合，实现夹紧工件；

（2）翻转台顺时针翻转 180°，翻转到位后翻转台上盖板上移，上下盖板打开实现物料上下表面的调换；

（3）取走物料，完成一次翻转动作；

（4）再次放入物料，气缸动作，上下盖板闭合；

（5）翻转台逆时针翻转 180°；

（6）气缸动作，上下盖板打开。

在一个动作循环中，翻转机可完成两次翻转。翻转机复位后，放置工件的料架处于水平位置，自动运行过程中，反复执行上述动作步骤。

2.1 电气控制构成框图

整个系统的电气控制框图如图 2 所示。图中，PLC 控制电磁换向阀和步进电机驱动器，分别实现气缸的上、下盖板的开与合以及上下盖板的翻转。

2.2 电气原理图

左右翻转机控制原理如图 3 所示。步进电机采用共阳极接法，即步进电机驱动器上，STEP+，DIR+，EN+ 端口和开关电源的 24 V 端口相连，脉冲输入 STEP- 和 PLC 的Y001 相连，方向输入 DIR- 与 Y003 相连。气缸的伸缩由电磁阀控制，PLC 通过 Y005 控制电磁阀线圈。三色指示灯采用常亮闪光型接法。由于三色指示灯的红灯、黄灯、绿灯、蜂鸣器每个工作电流 20 mA 以上，采用小型电磁继电器增大 PLC 驱动三色指示灯的能力。以绿灯为例，Y010 驱动电磁继电器的线圈，然后由电磁继电器的常开触点控制绿色指示灯。

2.3 程序流程

该翻转机控制系统具有手动和自动两种控制方式。手动方式主要完成上下盖板打开、上下盖板闭合、左翻转、右翻转和复位。自动模式分为外部和内部两种控制模式：外部控制模式时，由外部控制器发出一个“启动翻转”的 I/O 信号，翻转机动作，完成一次翻转，上下盖板打开后，通过 I/O 信号给外部控制器发出“翻转完成”的信号，如此实现外部控制；内部控制模式时，可由物料有无信号或控制按钮来控制翻转台翻转。系统控制流程如图 4 所示。

基于 PLC 的翻转机控制系统设计

为提高系统运行的可靠性，系统程序设置了异常状态监测，主要包括伸缩气缸动作超时、翻转台翻转动作超时、伸缩气缸伸缩同时感应检测异常、翻转台左右限位同时检测异常以及急停异常等。系统出现异常时，即由三色报警灯和蜂鸣器提示，一般需要排除故障后，并再次复位后才能重新运行。

3 结语

本文利用步进电机和伸缩气缸实现的翻转机，实现了五金板材工件的上下表面的调换，满足了冲压生产中需要工件表面翻转的工艺要求，在机器人辅助搬运物料的冲压自动线上，减少了机器人的动作复杂度。调试结果显示，该翻转机具有成本低、动作速度快、运行稳定、可靠性高的优点，其最快的运行节拍可达到每个 3 s。该翻转机在自动化生产中具有广阔的应用前景。