基于PLC的機械手設計

王建國+王江江+馮彬+江崔穎

摘 要：在本文中，所設計的控制系統(tǒng)是應用于機械手系統(tǒng)，保證機械手能夠有效完成兩條生產(chǎn)線之間的運輸任務。系統(tǒng)整體上選用電氣一體化的方法，通過氣缸自鎖功能能夠保證機械手在抓放或者斷氣狀態(tài)下保持機械手姿勢，通過電機控制技術完成機械手多自由度運動。機械手系統(tǒng)具有上電初始化、原點復位、報警提示、手動操作、半自動操作及全自動操作功能，滿足了企業(yè)的工作需求。

關鍵詞：搬運機械手；電氣一體化；定位控制

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A

0.引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，機械手成為當今時代的標志，有效改善勞動條件，保障人身安全。當前，機械手可以精確執(zhí)行預先編寫的程序命令，實現(xiàn)預計動作，被廣泛應用于機床、模具鍛造或者點焊、噴漆工藝方面。本文基于完成生產(chǎn)線之間物品運輸設計的機械手系統(tǒng)，能夠完成手臂上下伸縮、手臂左右擺動以及手指抓握3個動作；采用集成傳輸模式，即手臂機構采用伺服電機驅(qū)動，手爪機構則采用氣壓傳動。

1.硬件結(jié)構設計

1.1 伺服電機選擇

電機選擇方面，本課題選用交流伺服電機，因為隨著電機調(diào)速方法的不斷研究，目前能夠?qū)㈦姍C調(diào)速范圍與成本降低到寬調(diào)速直流電機。同時，交流伺服電機擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應用。而直流伺服電機內(nèi)部存在電刷和換向器因素，導致電機工作可靠性降低，提高后期運行成本；交流異步電動機雖然沒有電刷磨損，結(jié)構簡單，成本較低，但應用時對其調(diào)速十分煩瑣，成本相對較高，不經(jīng)濟適用?？紤]到電機后期維護方便，本課題的升降電機與旋轉(zhuǎn)電機都選用交流伺服電機PanasonicMDMA152P1U型號，便于后期保養(yǎng)維修，采用的驅(qū)動器為MDDDT5540型號。

1.2 氣缸和閥門的選擇

本機械手驅(qū)動系統(tǒng)運動速度由氣流調(diào)節(jié)閥控制，運動方向由電磁閥控制。目前，氣體驅(qū)動系統(tǒng)憑借其價格低廉等優(yōu)點在工業(yè)中得到廣泛應用。同時氣動夾持器由于氣體的可壓縮性，在捕獲過程中具有一定的靈活性，不會由于力度過大導致被抓取物破壞。根據(jù)指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個具有可調(diào)緩沖裝置的雙作用氣缸，并設有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個一位單通閥門，本設計為了能夠保證氣缸在斷氣狀態(tài)下保持氣缸內(nèi)部的壓力，所以根據(jù)經(jīng)驗選用SMC公司的VZ110氣開閥。

1.3 傳感器的選擇

傳感器的功能是將被測物的物理量轉(zhuǎn)變成由控制系統(tǒng)可以識別的電信號。實時檢測系統(tǒng)本身以及工作對象、工作環(huán)境的狀況，為控制系統(tǒng)提供有效精準的電信號。本課題研究的機械手，位置檢測裝置主要用來判斷機械手執(zhí)行左旋/右旋，上升/下降等動作時是否到位，通常選擇行程開關，并將其安裝在預先設定的位置。本機械手選用直線接觸式行程開關，當行程開關檢測到機械手運動到預定位置時，立即終止當前動作，準備運行下一動作。

2.機械手動作的實現(xiàn)過程

機械手的工作均由伺服電機驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)和電機自轉(zhuǎn)來完成。本機械手的一個工作周期要完成手臂下降—工件加緊—手臂上升—右旋—手臂再下降—松開工件—手臂在上升—左旋8個動作，全部由對應的限位開關來控制，系統(tǒng)原始位置設置在原點，當按下開始命令時，機械手會立即有序的執(zhí)行預訂相應動作。為確保人身安全，機械手安裝了一個光電開關，當機械手右旋到預定位置時，必須檢測到右工作臺上沒有工件時才能執(zhí)行下降動作。另外，機械手能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖功能，在系統(tǒng)斷電斷氣情況下保持機械手姿勢。本文研究的機械手系統(tǒng)工作方式一共有手動操作，半自動操作，自動操作3種模式，當系統(tǒng)上電后機械手首先初始化，然后進行選擇相應的工作方式。

3.控制系統(tǒng)的設計

控制系統(tǒng)是機械手設計的重要組成部分，是保證機械手在工作過程中安全可靠的關鍵。實時控制著機械手的每一個作業(yè)動作，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性的好壞直接決定了機械手工作過程的效率，起著不可低估作用。

3.1 PLC的選用

本文機械手的控制系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗選用“CPU226AC/24輸入/16輸出”型PLC，另外，由于系統(tǒng)I/O端的分組情況及隔離與接地的需求，需要增加10%～20%的裕量，配置了兩個EM253位控模塊和一個EM22324VDC數(shù)字組合8輸入/8輸出的擴展模塊。本文設計的控制系統(tǒng)，控制面板上操作按鈕的輸入端應該接入PLC輸入口的I0.0-I1.5，系統(tǒng)的行程開關接入I1.6-I2.3，料架上的兩個光電傳感器應該接入I2.4、I2.5輸入口，伺服驅(qū)動器的報警端接入I2.6、I2.7接口，伺服電機定位完成后發(fā)出的信號接入I3.0、I3.1。其次，PLCQ0.0-Q0.6輸出端連接系統(tǒng)信號指示燈，Q0.7-Q1.4端連接外部信號，實時檢測機械手狀態(tài)，Q1.5-Q1.7端連接驅(qū)動器，為電機提供電源，Q2.0-Q2.3端連接定位模塊，主要控制電機的運轉(zhuǎn)，Q2.4-Q2.5端連接氣缸控制閥，調(diào)節(jié)氣缸的伸縮。

3.2 控制模塊設計

本文中，控制系統(tǒng)主要由PLC主控單元、I/O模塊和EM253位核心控制器構成，機械手的抓放動作由選用的氣缸驅(qū)動，其余動作由選用的伺服電機驅(qū)動，同時電機配有驅(qū)動器，由位控模塊接收脈沖輸入。結(jié)構上，系統(tǒng)配有極限行程開關，每個部件的極限運動由脈沖來限位。主控單元采用單獨封裝，設計為模塊式結(jié)構，安裝在相應的支架上，主要包括PLC模塊、觸摸終端、I/O模塊和兩個位控模塊，通過PLC專用電纜進行相互通信。位控模塊采用的是PLC特殊模塊EM253，因為可以運用其產(chǎn)生的脈沖串對電機速度何位置進行開環(huán)控制，產(chǎn)生的脈沖串存儲在S7-200相應的存儲區(qū)中，通過擴展的I/O總線與S7-200進行通信。

3.3 控制面板的設計

本文所設計的機械手根據(jù)實際應用所需設置以下控制按鈕。（1）工作模式選擇開關：當正常生產(chǎn)時將機械手調(diào)到自動模式，機械手會自動運行。當機械手出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)報警時可以將機械手調(diào)到手動模式，機械手可通過點動調(diào)整。（2）電源開關：當機械手系統(tǒng)準備工作時，必須將電源撥至ON位置，給系統(tǒng)設施供電，其中觸摸終端由PLC進行供電。當機械手系統(tǒng)停止工作時，必須將電源撥至OFF位置，切斷一切設施供電，保證系統(tǒng)及人身安全。（3）急停按鈕：當機械手系統(tǒng)在運行過程中，出現(xiàn)突發(fā)情況例如搬運不夠穩(wěn)定、下放物品不到位、超過了極限位置以及沒有抓取成功目標物等等發(fā)生時，迫使機械臂系統(tǒng)停止工作，此時僅需按下急停按鈕，則可立即使機械手停止工作，有效避免事故的發(fā)生和經(jīng)濟損失。（4）機械手上升、下降、左旋、右旋、夾緊、松開按鈕：這些按鈕通常在調(diào)試或者排除系統(tǒng)故障時對機械手進行單步操作時使用，屬于手動操作。（5）復位按鈕：當需要將機械手系統(tǒng)自動恢復到初始位置的情況時，需要按此按鈕實現(xiàn)相應復位功能。（6）啟動按鈕：當機械手系統(tǒng)完成上電，工作模式等一系列前期準備工作之后，按下此按鈕系統(tǒng)就會自動完成預設搬運動作。（7）測試燈/報警按鈕：機械手系統(tǒng)安裝結(jié)束后，要對機械手的作業(yè)穩(wěn)定性進行試驗。此時，試燈/報警清除按鈕對電路上所有的工作指示燈做檢測，保證正式運行時的安全。另外，當機械手系統(tǒng)出現(xiàn)報警時，我們對系統(tǒng)進行故障維修后，必須按此按鈕消除報警，使系統(tǒng)進行正常作業(yè)。

結(jié)語

本文對機械手驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)方面進行認真細致地研究，能夠?qū)ιa(chǎn)線上有無工件進行精準判斷，降低了工作勞動強度，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，對自動化生產(chǎn)線的柔性制造方面和工作效率方面起到了不可估量的作用。

參考文獻

[1]蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略[J].機器人技術與應用，2001，76（4）：11-16.

[2]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[3]朱春波.PLC控制的氣動上下料機械手[J].液壓氣動與密封，1999：21-24.

[4]郭艷萍.基于PLC的工業(yè)機械手控制系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2007，9（9）：31-32.

[5]李長軍.西門子S7-200PLC應用實例解說[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]高安邦，褚雪蓮，韓維民. PLC技術與應用理實一體化教程[J].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[7]史國生.PLC在機械手步進控制中的應用[D].中國工控信息網(wǎng)，2005.