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目前，市场上流行的注塑机专用机械手就控制系统而言都是使用专用的微处理机加接口组成的小控制系统。在机械构造方面，当定位精度要求不高时采用时规皮带传动，行走部分配置滑线导轨，由变频调速器调速控制。本文提出一种基于PLC控制的注塑机专用机械手，充分利用PLC灵活控制的特点，行走部分配置滑线导轨，采用斜齿轮齿条传动和变频调速控制;是一种高性价比的机电一体化设备。文章分别从机械构造和电气控制两个层面对该机作了较为完整的论述。

1 引言
在塑胶制品中，以制品的加工方法不同来分类，主要可以分为四大类。一为注塑成型产品;二为吹塑成型产品;三为挤出成型产品;四为压延成型产品。其中应用面广、品种多、精密度高的，当数注塑成品产品类，小到日常生活用品中的锅瓢碗盏、儿童玩具，大到精密工业设备上的零部件，随着各种高分子新材料的不断涌现，许多金属零部件亦有不断被这些新材料逐步取代的趋势。为配合注塑成型产品自动化生产要求，为保证制品的高品质高效率，必须尽量减少人工的干预，基于上述思想，许多注塑机生产厂家将注塑机专用机械手的装置列入了客户辅助选用件的范围。
然而,对于原有注射机而言，绝大多数都没有此项装置，因此，开发适合注塑机使用的专用辅助机械手，就成了提升厂家产品的竞争力的一种重要手段和必然选择。

2 行业状况
各种类型机械手是自动化生产中必不可少的重要设备。尤其是在危险场合，在严重威胁人们安全和健康的环境下，采用机械手代替人，具有十分重要的意义。
珠江三角洲地区塑胶工业是十分发达的，在国内居龙头地位，在国际上珠三角也有世界工厂之称。目前，该行业使用的注射机专用机械手以台湾生产的居多，如台湾劲力公司生产的劲力牌机械手、台湾威得客国际股份有限公司生产的“威得客”W255系列注射机专用机械手,等等。
剖析此类机械手的结构，其电气控制系统一般均采用微型计算机小系统或单片机系统，机械手驱动部分采用气动驱动，变频调速驱动和伺服驱动。在机械构造方面采用滑线导轨结构配时规皮带传动，或用滚珠齿轮齿条结构配滑线导轨。总体设计思想，都是尽量采用成熟的控制技术和机械零件与机构搭配而成。

3 基于PLC控制的注塑机专用机械手
上述注塑机专用机械手, 就机械手制造厂家而言, 由于是专用辅助设备因而售价较高, 尤其用于对原有注塑机的设备改造上, 经济上似乎“得不偿失”之嫌。所谓“高性能价格比”的注塑机专用机械手就成了所有注塑制品生产厂家利用原有注塑机设备提升产品质量的重要选择和大需求。

3.1 以PLC为核心的控制系统
PLC是一种以微处理器为核心, 并综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置。它的大特点就是体积小, 功能强, 响应速度快，可靠性高。控制过程均通过以梯形图的方式编程。随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性。现在由于PLC均由世界上有名的电气控制设备制造商专业化研究开发和批量生产, 故由于生产成本低而导致价格便宜。随着全球经济一体化进程的加快, 市场竞争导致其价格有进一步下调的空间, 为各行业上广泛采用此种控制系统提供了有利条件。其控制系统原理图如图1所示

图1 PLC控制系统框图

图中人机界面亦采用技术上及工艺上均已十分熟悉的5.7"单色触摸屏, 采用手持式结构, 通过对话式操作界面，全中文模式，简单易学。内建程序可以随心所欲的搭配使用, 可自动监测故障并纪录。可随时修改三个坐标轴的运动参数及横行轴变频调速器的各项参数，以满足产品工艺要求。PLC通过读取注塑机的开合模信号和顶针信号，通过程序运行从而保证机械手与注塑机工作安全协调。

3.2 机电一体化机械传动模式
在当今技术更新愈来愈快的时代，谁跟上技术发展的脚步，谁就有可能获得市场。目前，市场上流行的注塑机专用机械手，无一不是沿用上述思路来设计的。本文将上述思想引伸为一种设计模式:积木式结构。即将系统中相对独立的部件，在满足系统工艺要求的前提下，采用高性能价格比的机构予以配置。针对本系统的结构，横行轴采用变频器马达配减速机构驱动;上下轴及引拔轴使用气缸驱动。在横行、引拔、上下行走机构上均使用进口的高刚型线性滑轨。上下行轴及引拔轴装配支座均使用市售高刚型的铝合金型材，横行轴采用斜齿轮齿条传动。，高性价比的机械配置加高性价比的控制系统，由此催生了极具市场竞争力的注塑机专用机械手。
根据上述设计思想，以OMRON公司的CPM2AE为例，该型号是专为中国客户推出的PLC，具有极高的性价比，笔者以此为核心，配上触摸屏和LG变频器，再辅以上述机械传动部件，即构成了注塑机专用机械手的硬件部分，而软件编程则以应用工程师十分熟悉的梯行图语言来编写，相信也并非难事。该注塑机专用机械手已应用于生产。造价较市场上同类型机低近2万元。
4 结束语
实践证明，利用十分成熟的PLC技术和变频器调速技术以及十分成熟先进的机械传动构件，采用积木式架构，应用工程师就可以迅速地为企业设计制造出生产急需的机电一体化设备。成为在设备改造、升级，提高产品质量，参与市场竞争的有力武器。

附图
　　循环流化床锅炉是一种环保型锅炉，但随着环境治理要求的进一步加深，其SO2排放量仍无法达标。石家庄东方热电股份有限公司热电三厂为保护环境，减少SO2对大气的污染，决定对#4（75t/h）、#5（135t/h）循环流化床锅炉建设炉内喷钙脱硫系统，采用三菱FX2N型PLC作为操作控制系统。

一 系统工艺流程

　　对于循环流化床锅炉进行脱硫处理，目前一种普遍采用的方法是将脱硫剂（石灰石粉：粒径0～2mm，比重约1.4t/m3）通过送粉管道从炉前二次风口送入锅炉炉膛中与煤一起燃烧，通过化学反应生成CaSO4，达到脱硫目的。系统工艺流程路线如下：
　　（1）石灰石粉→粉仓→粉仓插板阀→粉仓旋转给料阀→缓冲罐→缓冲罐插板阀→缓冲罐旋转给料阀→喷料泵→送粉管路→炉前检修隔断门→炉膛；
　　（2）空气→罗茨风机→电动蝶阀→喷射泵→送粉管路（另一路送气化风）→炉前检修隔断门→炉膛；
　　（3）气化风→空气加热器（有旁路阀）→气化风环管→气化板→粉仓→布袋除尘器。
　　该系统设计采用双路联调送粉方式，每台炉由两路送粉设备装置及管路将石灰石粉送入炉膛。送粉量由PLC根据每台炉SO2监测装置所提供的信号对该炉的旋转给料阀实行变频联动调节。

二 控制系统设计实施

　　整个控制系统由一台中控室内的监控计算机（操作员/工程师站）、一台现场控制站 FX2N型PLC-128MR、并配以4个 FX2N-4A/D数据采集模块、一个 FX2N-4D/A模拟数据输出模块和4台变频给粉装置组成。监控计算机主要负责实时监控烟气监测系统检测的SO2参数值和对系统进行操作和故障监测，现场控制站根据SO2含量对送粉量进行自动或手动操作，并与上位机采用RS-485进行实时通信。
　　现场控制站配置见附图。

1. FX2N-128MR现场控制站

　　 FX2N-128MR现场控制站是整个控制系统的核心，其运算处理速度：基本指令0.08μs/指令，应用指令1.52～100μs/指令，输入输出总点数256点，大存储容量16k步，内置存储器容量8k步，顺控指令27条，步进梯形图指令2条，应用指令128种，298个。 FX2N-4A/D数据采集模块：接受4～20mA电流信号转换成数字信号输送给PLC。 FX2N-4D/A模拟数据输出模块：将PLC发出的控制量数值转化为4～20mA电流信号输入到变频器控制旋转给料阀。

2. 喷钙脱硫系统的启动和控制

　　喷钙脱硫系统可采用三种方式进行启动。
　　（1）方式一：自动启动
　　将各就地设备的控制箱切换至“远方”位置，在显示器屏上点击“全自动启动”按钮，系统将按下列顺序启动设备。
　　（a）启动罗茨风机延时12s，开始下一步，否则报警；
　　（b）自动打开风机后电动蝶阀开到预定位置时，开始下一步，否则12s后报警；
　　（c）此时空气母管压力下降至运行I值（调试确定）。启动缓冲罐下旋转给料阀缓慢升速至第一设定转速（调试确定）运行l 2s；
　　（d）启动缓冲罐上粉仓旋转给料阀，并接通缓冲罐料位控制回路；
　　（e）接通SO2监测控制系统回路，通过PLC控制缓冲罐下旋转给料阀转速，使SO2测量值达设定标准值（<1200mg／m3），此时空气母管的压力要上升至运行II值；
　　（f）启动电加热器，并将温度调至设定值。
　　（2）方式二：远方操作启动
　　各就地设备控制箱的切换开关切至“远方”位置。设备启动顺序与方式与上述完全相同，只不过是由设备操作人员在主控室CRT前利用鼠标按程序提示框逐一进行启动操作。
　　（3）方式三：就地操作启动
　　各就地设备控制箱的切换开关切至“就地”位置，此时设备的启动顺序不受限制，由操作人员任意启动，但若不是特殊情况，不采用此工作方式，因为该方式即使启动设备也不会实现PLC联调，达不到系统的使用目的。

3. 喷钙脱硫控制系统的运行

　　（1）系统运行时显示的状态参数有：粉仓料位、罗茨风机运行状态、电动蝶阀状态、下旋转给料阀转速、上旋转给料阀运行状态（停止、运行交替显示）、缓冲罐料位、烟气SO2值、空气加热后温度、PLC运行状态指示、喷钙量。
　　（2）系统运行时可将各设备的运行状态及SO2值实现采集、存储、通信打印、图形显示等功能，各项功能可在CRT人机界面上利用菜单命令来实现。
　　（a）数据采集：通过画面中的按钮设定数据，通过PLC的A/D模块进行数据采集；
　　（b）结果显示：将通过PLC的A/D模块采集到的数据显示到画面中；
　　（c）状态显示：通过PLC与组态的通信将结果状态在画面中显示；
　　（d）故障报警：当出现故障时，报警画面自动弹出，查看出现故障的地方；
　　（e）数据存储：通过设定后，设定的数据将自动存储到系统中去；
　　（f）生成报表：可用工具栏中的按钮查看报表；
　　（g）图形显示：加上运行狗（watch-dog）之后，启动系统就可显示图形画画，从而从画面中监视整个系统；
　　（h）打印：选择需要打印的内容点击工具栏上的打印按钮就可打印；
　　（i）内部通信：通过SC09通信电缆完成PLC与电脑的组态通信。
　　（3）系统运行时的联锁保护逻辑关系
　　La当运行罗茨风机因故停运时，自动投入备用风机，否则3s后自动执行事故停机程序；
　　Lb当某套送粉装置的下旋转给料阀停运时，自动解列联调方式变为单调方式，并停止该套送粉装置；
　　Lc当送粉装置的下旋转给料阀转速超设定值，但SO2的值不能满足排放标准时，报警；
　　Ld当某套送粉装置的上旋给料阀停运时，直至下料位报警延时12s后停止下旋给料阀并自动解列联调方式变为单调方式；
　　Le当风机电动蝶阀误关时，3s内应启动设备用罗茨风机并打开备用罗茨风机后的电动蝶阀，并停止本风机运行，否则进入事故停机程序；
　　Lf空气电加热器的启动、停止，只需实现远方就地操作和温度显示以及故障停运报警即可，不必加入联锁；
　　Lg当空气分支管压力值超过高值（调试时定）报警并延时3s停下旋转给料阀，然后进入逻辑Lb程序；
　　Lh当空气分支管压力值低于低压值（调试时定）时，执行逻辑La程序；
　　Li当下旋转给料机转速升至第二设定转速（调试时确定）时报警。

4. 喷钙脱硫控制系统的停止

　　（1）正常停止
　　当锅炉机组按计划停机时要先将脱硫系统停止运行。若需#4、#5炉都停的话，后停的脱硫系统要将粉仓内的石灰粉用完，然后再停止运行，可采用微机自动停止和人工控制停止两种办法，其顺序是一致的。其步骤如下：
　　（a）停止某台炉两套送粉装置缓冲罐的上旋转给料阀运行，不再向缓冲罐送料；
　　（b）缓冲罐内料位降至低料位报警值后，让其依靠联锁自动动作停止下旋转给料阀的运行；
　　（c）关闭运行罗茨风机出口管路的电动蝶阀；
　　（d）切断运行罗茨风机与备用罗茨风机的联锁回路，将运行的罗茨风机停止运行；
　　（e）就地关闭该炉系统装置的手动插板，手动检修隔断门。
　　（2）事故停止
　　当系统设备在运行当中出现前面 La、Le所提及的故障情况时，系统要转入事故停机程序，各台设备顺序停机之间需要延时，停机步骤如下：
　　（a）停止该炉两套送粉装置的下旋转给料阀运行。
　　（b）停止该炉两套送粉装置的上旋转给料阀运行。
　　（c）解列运行及备用风机间的联锁，停止运行的罗茨风机。

三 应用体会

　　东方热电三厂脱硫PLC控制系统自投运以来，性能可靠，运行平稳，经过2年多运行，从未出现过故障，基本不需要维护。 FX2N型PLC小型化、高性能，适合此种环保控制系统的应用改造。随着对供热锅炉环保要求的不断提高，该系统将拥有良好的开发前景。