氣動(dòng)機(jī)械手臂的PLC控制

袁靜

引言：介紹了一款簡(jiǎn)易型精確定位機(jī)械手，針對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，設(shè)計(jì)了基于三菱的FX2N可編程控制器的控制系統(tǒng)的硬件和軟件；使用MSC Comm控件，實(shí)現(xiàn)了整套控制系統(tǒng)的控制界面，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)機(jī)械手控制。

一、引言

氣動(dòng)機(jī)械手臂是氣動(dòng)技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域運(yùn)用最多的一種技術(shù)，其具有質(zhì)量好，重量輕，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定以及環(huán)保節(jié)能燈特點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手臂主要采用模塊化的設(shè)計(jì)模式，尤其是使用當(dāng)前傳輸技術(shù)的氣動(dòng)機(jī)械手臂，使用可多次編程的閥島技術(shù)進(jìn)行控制，同時(shí)，其氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，也全部采用模塊化的設(shè)計(jì)進(jìn)行組裝，便于進(jìn)行精確定位 [1]。

本文的核心內(nèi)容是研發(fā)構(gòu)建一種定位精確、適用性廣的氣動(dòng)機(jī)械手臂，對(duì)研發(fā)過程中具體涉及的機(jī)械原理和系統(tǒng)配置進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于三菱的FX2N可編程控制器的控制系統(tǒng)的硬件和軟件。

二、氣動(dòng)機(jī)械手臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

氣動(dòng)機(jī)械手臂有多種類型，根據(jù)具體運(yùn)動(dòng)模式，可以區(qū)分為圓柱坐標(biāo)、球式坐標(biāo)、直角坐標(biāo)和關(guān)節(jié)式四種機(jī)械類型[2]。機(jī)械手臂的運(yùn)行組件由主體和輔助部件組成。用來(lái)改變抓取對(duì)象的空間位置的組件稱為主運(yùn)動(dòng)部件，主要包括手臂部位和立柱部位，而單純改變抓取對(duì)象方位和狀態(tài)、不涉及空間位置改變的組件就是輔助運(yùn)動(dòng)部件，主要有手腕和手指部位。

氣動(dòng)機(jī)械手臂的工作為兩個(gè)位置點(diǎn)之間的材料移動(dòng)工作，因此機(jī)械手臂要具有基本的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮能力，因此，這里采取圓柱坐標(biāo)式構(gòu)造模式，此處機(jī)械手臂保留三個(gè)自由度，即升降自由度（用x表示、包含上升下降兩參數(shù)）、回轉(zhuǎn)自由度（用θ表示，有正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)兩個(gè)參數(shù)）和伸縮自由度（用r表示，分為伸展和收回兩個(gè)動(dòng)作）。該機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)模式如圖1所示。

圖1 機(jī) 械 手 臂 運(yùn) 動(dòng) 簡(jiǎn) 圖

三、控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)分析

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首要問題是如何選擇一臺(tái)理想的PLC（主要是規(guī)格和型號(hào)），其次是PLC的I/O（輸入/輸出）點(diǎn)和外圍設(shè)備的配置。然后是程序流程設(shè)計(jì)與程序編制[3]。

1、直線控制單元的控制

如圖2所示為氣缸的位置控制器及其構(gòu)成圖。圖中氣管線路用虛線代表，電線或電纜用實(shí)線表示?？刂破鞯男盘?hào)來(lái)自PLC，PLC是這部分的核心，通過磁傳感器識(shí)別氣缸到達(dá)的位置，達(dá)到實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地控制氣缸。

2、 PLC控制硬件

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，就必須對(duì)此氣動(dòng)機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作都要求要有一個(gè)手控的按鍵。為保證機(jī)械手執(zhí)行工作的準(zhǔn)確性，就要求在程序設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到相互牽連的功能。在現(xiàn)實(shí)情況中，控制機(jī)械手的啟動(dòng)按鍵和停止按鍵必須要在一起的，這主要在于設(shè)置控制機(jī)械手的啟停時(shí)考慮到節(jié)省PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)這個(gè)因素。系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要保證機(jī)械手的工作在一個(gè)正常的循環(huán)周期內(nèi)。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到在機(jī)械手在進(jìn)行每一個(gè)周期的工作時(shí)，機(jī)械手的設(shè)定值按系統(tǒng)主體需要設(shè)定，比如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、上升、下降、伸出、縮回、加緊、放松。每次開始前，需重新設(shè)定，使機(jī)械手回到原來(lái)的位置，進(jìn)行工作，也就是所謂的“回原點(diǎn)”。對(duì)于回原點(diǎn)，包括自動(dòng)式和手動(dòng)式。根據(jù)系統(tǒng)需要選擇PLC的型號(hào)，并對(duì)PLC端的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行I/O分配，相關(guān)的分配表如表1所示。

圖2 直線控制單元構(gòu)成圖

3、PLC控制軟件

在連續(xù)模式下，機(jī)械手的運(yùn)行是按照操控主體的初始設(shè)定進(jìn)行的，要保證整個(gè)連續(xù)模式下的系統(tǒng)的高效運(yùn)行[4]，就要求在操作之前檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的操作是否處在真正的設(shè)定值上。整個(gè)操作可利用各個(gè)具體的操作按鍵操控氣缸的運(yùn)行，在到達(dá)相對(duì)應(yīng)的初始位置時(shí)再對(duì)氣缸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行減壓、停止，這就保證了整個(gè)系統(tǒng)合理有效的會(huì)到初始值的原點(diǎn)。對(duì)于正處于連續(xù)模式的機(jī)械手來(lái)說，當(dāng)系統(tǒng)被手動(dòng)操控回到原始位置時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)自覺的進(jìn)入到下一個(gè)正常的循環(huán)中。圖3所示為循環(huán)動(dòng)作梯形圖。

圖3 循環(huán)動(dòng)作程序段

四、結(jié)論

對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的構(gòu)造進(jìn)行模塊化整理，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的整體進(jìn)行相關(guān)的分析和設(shè)計(jì)，對(duì)其氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)定效果。實(shí)踐證明，所開發(fā)的以PLC為核心的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)，運(yùn)行可靠性高，操作簡(jiǎn)單方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李超.氣動(dòng)通用上下料機(jī)械手的研究與開發(fā)[D]. 西安：陜西科技大學(xué). 2003.

[2]陸鑫盛.氣動(dòng)新技術(shù)講座——模塊式氣動(dòng)機(jī)械手[J].液壓氣動(dòng)與密封.2001（6）： 31～43.

[3]勞俊，伍世虔，楊叔子.模塊化與現(xiàn)代制造技術(shù)[J]..制造技術(shù)與機(jī)床.2004（9）： 40～42 .

[4]魏志強(qiáng)，孫旭光，王益群，劉繼剛. 可編程控制器在氣動(dòng)機(jī)械手控制中的應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng)，2002（6）：18-20 .

（作者單位：1、太原理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院；2、大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ）