柔性生產(chǎn)線中五自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)研究

王偉

（岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南 岳陽 414000）

Research and Exploration | 研究與探索·探討與創(chuàng)新

柔性生產(chǎn)線中五自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)研究

王偉

（岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南 岳陽 414000）

柔性生產(chǎn)可使多臺不同功能的設(shè)備進(jìn)行整合，而各設(shè)備間的工件傳遞需要智能的搬運(yùn)設(shè)備形成整體，本文對一種基于PLC控制的五自由度搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行硬件和軟件方面的設(shè)計。

柔性生產(chǎn)線；五自由度；機(jī)械手

1 引言

柔性生產(chǎn)線是指依靠計算機(jī)管理，將多種生產(chǎn)模式結(jié)合，配以自動運(yùn)送裝置組成而的生產(chǎn)線。在具體的生產(chǎn)線實(shí)施中，可以通過多臺專用機(jī)床通過調(diào)整、聯(lián)結(jié)，形成柔性整體，從而達(dá)到減少生產(chǎn)成本的目的。

在柔性自動生產(chǎn)線中，各個加工設(shè)備、自動輸送帶設(shè)備之間都需要進(jìn)行物料的傳送，傳統(tǒng)的二維機(jī)械手傳送就可以實(shí)現(xiàn)其要求，但有時在物料傳送時不是簡單的二維傳送，還需要改變物料的方向和位置，對于物料傳送位置和方向不固定的情況，二維機(jī)械手就無法進(jìn)行操作了，資金雄厚的企業(yè)一般就選用機(jī)器人，通過編制不同的控制程序來實(shí)現(xiàn)。但機(jī)器人價格昂貴，中小型企業(yè)無法大規(guī)模應(yīng)用，限制了推廣應(yīng)用范圍。

對于柔性自動生產(chǎn)線物料自動輸送，更多的情況是物料傳送的位置和轉(zhuǎn)變的方向相對固定，這種情況下可以研發(fā)具有多維的多自由度機(jī)械手，能夠滿足采用物料抓取傳送，價格也相對便宜，結(jié)構(gòu)也簡單的多，容易維護(hù)，適合大范圍的推廣使用。

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)和控制過程

該搬運(yùn)機(jī)械手由小臂、大臂、肩部組成，小臂依靠腕關(guān)節(jié)軸和肘關(guān)節(jié)軸實(shí)現(xiàn)小臂上下移動和腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，小臂俯仰角度為-90°至30°，腕關(guān)節(jié)俯仰角度為0°至25°。大臂由連接件、絲桿螺母、電機(jī)、肩關(guān)節(jié)軸和連接件組成，俯仰角度為-90度至40°。腰部電機(jī)實(shí)現(xiàn)大臂整件水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為-150度至150°，肩部復(fù)合連接件組成。手爪采用氣動兩端夾緊形式，法蘭盤旋轉(zhuǎn)角度為-135°至135°。如圖1所示。

圖1 氣動機(jī)械手結(jié)構(gòu)

搬運(yùn)機(jī)械手動作順序按照如下過程實(shí)現(xiàn)：

（1）按下啟動鍵，機(jī)械手進(jìn)行初始位置檢測，如未停留在初始位置，檢測后進(jìn)行初始化設(shè)置，機(jī)械手回到初始位置；

（2）初始位置檢測完成后，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至取件工位等待取件；

（3）檢測到工件后，手爪向前伸展，到限位位置后手爪下降，下降至工件上方進(jìn)行定位，定位完畢后氣動手爪開啟，從左取件工位抓取工件，工件抓取完畢后，手爪停留1秒時間；

（4）1秒后，氣動手爪上升并回退至初始位置，停留0.5秒；

表1 氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)I/O分配

（5）0.5秒后，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至放件工位，檢測到放件工位位置，且放件位置為空后，手爪向前伸展并下降，停穩(wěn)后氣動手爪釋放，在工位釋放工件，釋放完畢后，停留1秒時間；

（6）1秒后，機(jī)械手回轉(zhuǎn)至初始位置，等待下一個工件，開始循環(huán)。

整個控制過程中，機(jī)械手的動作要求保持連貫，每個關(guān)節(jié)活動的過程中要采用精確感應(yīng)的傳感限位開關(guān)，到達(dá)限位位置后，傳感器及時反饋信號輸出，從而保證機(jī)械臂不發(fā)生卡死和碰撞的情況，后續(xù)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中也明確定義了各關(guān)節(jié)的極限位置。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC的I/O分配

本項(xiàng)目的PLC選型為德國西門子S7-200系列，具有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出。根據(jù)上述對搬運(yùn)機(jī)械手動作的要求進(jìn)行I/O分配。如表1所示。

3.2 軟件設(shè)計

依據(jù)整個控制過程實(shí)施，可以采用梯形圖和步進(jìn)指令來進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，依據(jù)多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制的特點(diǎn)，采用步進(jìn)指令進(jìn)行編寫可以有條不紊，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)每一步動作。在啟動時，初始位置的設(shè)定可選為取件位置，也可選擇左右目標(biāo)位置中點(diǎn)，依據(jù)步進(jìn)電機(jī)和傳感器進(jìn)行定位。

檢測到取件位置有工件后，可依據(jù)傳感器定位和各關(guān)節(jié)限位數(shù)據(jù)進(jìn)行精確取件，取的過程中，定時器定時主要起穩(wěn)定氣動手爪的作用，放件控制過程類同于取件控制過程。完成單周期動作后，要進(jìn)行多次測試，最終達(dá)到循環(huán)無故障。步進(jìn)程序按照定義好的I/O配置和運(yùn)動過程來進(jìn)行編寫，注意各關(guān)節(jié)處步進(jìn)電機(jī)的位置精確控制。

4 結(jié)語

現(xiàn)代柔性生產(chǎn)線中，各模塊間靈活組合大幅度增強(qiáng)了生產(chǎn)線的可塑性，但模塊與模塊之間工件的輸送任務(wù)需要機(jī)械手來承擔(dān)。自由度較低的機(jī)械手可以進(jìn)行簡單的搬運(yùn)，但復(fù)雜的工位間進(jìn)行輸送就需要更加靈活、更多自由度的機(jī)械手來完成。本設(shè)計中，利用五個步進(jìn)電機(jī)形成五自由度控制機(jī)械手，設(shè)計簡單，維護(hù)方便，可以基本實(shí)現(xiàn)各個復(fù)雜工位間的物料輸送，在工業(yè)上有較大的實(shí)用性；同時，在學(xué)校教學(xué)中也可以作為典型的自動化控制系統(tǒng)案例來進(jìn)行教學(xué)和實(shí)施，具有較大的推廣價值。

[1]徐元昌.工業(yè)機(jī)器人.北京:中國輕工業(yè)出版社，1999.08.

[2]沈小強(qiáng).一種五自由度教學(xué)搬運(yùn)機(jī)械手的研制(碩士論文)，蘇州大學(xué)，2010.04.

[3]田忠強(qiáng).一種五自由度機(jī)器人機(jī)構(gòu)的研究與開發(fā)及運(yùn)動學(xué)分析(碩士論文)，西安理工大學(xué)，2004.3.

[4]周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.6.

[5] 郭益友.工業(yè)機(jī)械手在機(jī)械制造工藝中的發(fā)展及應(yīng)用[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院報，2002,2(01):36～38.

[6] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)RI技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[7] Durstewitz,M;Kiefner,B,Virtual collaboration environment for aircraft design [J], Information Visualisation,2002. Proceedings. Sixth International Conference onJ0-l2 July 2002,Page: 502～507.

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