往復(fù)移動式氣動機(jī)械手的精確位置控制系統(tǒng)設(shè)計

李建國

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 前言

固定式氣動機(jī)械手廣泛應(yīng)用于自動裝配生產(chǎn)線，在提高生產(chǎn)效率、保障裝配精度及降低操作者的勞動強(qiáng)度等方面都發(fā)揮了重要作用。

隨著裝配生產(chǎn)線自動化程度的不斷提高，固定式的機(jī)械手已不能勝任多工位、長距離、寬面域的自動裝配生產(chǎn)線的工作，取而代之是往復(fù)移動式氣動機(jī)械手。

移動式機(jī)械手主要由移動平臺和機(jī)械手共同組成，與固定式機(jī)械手相比較，具有工作范圍大、精確的位置控制功能等特點(diǎn)，因此，移動式機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用會更加廣泛，對移動式機(jī)械手的精確位置控制的研究，將有著很重要的實(shí)際意義。

文中將以移動式機(jī)械手模型為例，對常見的移動式械手的結(jié)構(gòu)組成、氣動回路原理、PLC系統(tǒng)精確的位置控制過程作較詳細(xì)的設(shè)計與介紹。

1 往復(fù)移動式氣動機(jī)械手的模型結(jié)構(gòu)

1.1 往復(fù)移動式機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

往復(fù)移動式機(jī)械手模型結(jié)構(gòu)見示意圖1。主要由直線導(dǎo)軌、移動平臺、旋轉(zhuǎn)氣缸、升降氣缸、氣動夾頭、機(jī)械手臂、同步齒形帶、直流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、接近開關(guān)等組成。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要部件的作用

(1)直線導(dǎo)軌。支撐移動平臺，機(jī)械手的移動距離由直線導(dǎo)軌的長度決定。

(2)移動平臺。承載氣動機(jī)械手，使之延直線導(dǎo)軌移動。

(3)旋轉(zhuǎn)氣缸?？刂茪鈩訖C(jī)械手作180°的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并在0和180°兩個位置設(shè)有限位開關(guān)。

(4)升降氣缸?？刂茩C(jī)械手臂和氣動夾頭上升和下降。

(5)氣動夾頭。夾緊和放松工件。

(6)接近開關(guān)。限制機(jī)械手的行程距離，使其移動不要超距。

(7)旋轉(zhuǎn)編碼器。位置檢測元件，采用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，與PLC配合實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。

(8)直流電機(jī)。機(jī)械手移動的動力元件。

2 氣動回路設(shè)計

機(jī)械手臂的升降、回轉(zhuǎn)及氣動夾頭的動作是由氣動回路的控制實(shí)現(xiàn)的。氣動夾頭是由直線運(yùn)動氣缸和夾持裝置組成，氣缸伸出，夾頭加緊，氣缸回縮，夾頭釋放;升降氣缸負(fù)責(zé)機(jī)械手臂的升降，該氣缸與氣動夾頭氣缸，分別由兩個兩位五通單電控直流24 V的電磁閥控制;旋轉(zhuǎn)氣缸負(fù)責(zé)機(jī)械手臂的180°的回轉(zhuǎn)，有0和180°兩個位置，該氣缸由一個雙電控兩位五通電磁閥控制:在各氣缸的進(jìn)出回路分別設(shè)有單向節(jié)流閥，用來控制氣缸動作的速度及穩(wěn)定性。該氣路組成簡單、實(shí)用，完全滿足移動機(jī)械手的動作要求。氣路原理如圖2所示。

圖2 氣路原理圖

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 輸入/輸出點(diǎn)分配

根據(jù)氣動機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的功能及要求，該系統(tǒng)共有9個輸入及6個輸出信號。采用西門子S7-200CPU226滿足要求，I/O地址分配及功能表見表1。

表1 I/O地址分配及功能表

3.2 PLC控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

根據(jù)輸入及輸出信號PLC控制系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。

3.3 直流電動機(jī)控制電路

直流電動機(jī)是移動式機(jī)械手做往復(fù)移動的動力元件，該電機(jī)由KM1和KM2控制正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，其電路原理見圖4。

圖4 直流電動機(jī)原理圖

4 機(jī)械手位置移動控制原理

從往復(fù)移動機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖可知，機(jī)械手的移動，是通過同步齒形帶，帶動移動平臺作往復(fù)移動的，齒形帶移動的距離通過增量型編碼器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號，此脈沖信號被PLC的高速計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，其計數(shù)值與齒形帶移動的距離存在著對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)齒形帶移動達(dá)到某一設(shè)定值時，通過高速計數(shù)器的計數(shù)值就可以控制PLC輸出，PLC的輸出控制電動機(jī)停止工作，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的位置控制。利用編碼器與PLC實(shí)現(xiàn)齒形帶移動距離的控制原理見圖5所示。

圖5 齒形帶移動距離控制原理

5 程序設(shè)計

按照不同的控制要求，機(jī)械手可以設(shè)計出很多種控制程序，在此不全部給出，在這只給出齒形帶移動距離控制程序。為了控制齒形帶的移動距離，必須知道編碼器的脈沖當(dāng)量，即一個脈沖對應(yīng)齒形帶移動的距離，也就是控制齒形帶的移動精度。

5.1 脈沖當(dāng)量的計算

旋轉(zhuǎn)編碼器選用DC24V/1000P，即工作電源為直流24 V，每旋轉(zhuǎn)一圈發(fā)1 000個脈沖。

同步齒形帶輪的直徑如果為30 mm，則:

齒形帶移動的控制精度為0.094 2 mm，為了提高控制精度還可以選用更高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器。

5.2 控制程序

假設(shè)控制要求為:機(jī)械手移動150 mm，停止并抓取物品。

分析:因為脈沖當(dāng)量為0.094 2，所以機(jī)械手移動150 mm相當(dāng)于編碼器發(fā)出1 592個脈沖。

該控制要求的控制程序見圖6。

圖6 控制程序

6 結(jié)束語

這種結(jié)構(gòu)形式的可移動式機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、移動距離控制方便、精確，已在許多控制現(xiàn)場得到了應(yīng)用。

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