特種加工液壓驅(qū)動搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

胡 煒，祝錫晶，馬 愷

（1.中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030051；2.華沙理工大學(xué) 航天與動力工程學(xué)院，華沙 00742）

0 引言

大型機(jī)械手的迅速發(fā)展很大程度上源于人們對其積極意義的理解和認(rèn)知，它既能部分甚至全部地代替人工操作，減少人力勞動強(qiáng)度，使勞動力解放，便于生產(chǎn)的工業(yè)和節(jié)奏化；另外又可根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，按照一定的程序、時間和地點(diǎn)來完成工件的轉(zhuǎn)移和卸載，這有利于極大提高工作效率、有力保證了工作精度的準(zhǔn)確性，因此在機(jī)械加工、沖壓、鑄造、焊接、熱處理、電鍍、涂漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的運(yùn)用[1,2]。在現(xiàn)階段，機(jī)械手的驅(qū)動形式主要有電機(jī)驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動三種主流方式[3]。對于在特種加工環(huán)境下的作業(yè)，液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好、控制和調(diào)節(jié)簡單、動態(tài)性能優(yōu)良，兼具無級調(diào)速、快速啟動、制動和頻繁換向的特點(diǎn)，很容易獲得更大的力和轉(zhuǎn)矩[4,5]。與此同時，當(dāng)前市場的液壓元件早已實(shí)現(xiàn)了通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的制造標(biāo)準(zhǔn)，這就使得目前液壓系統(tǒng)的設(shè)計、制造和使用在很大程度上變得相對方便。再接入可編程控制器PLC，結(jié)合傳感器，可以對液壓驅(qū)動機(jī)械手的位移、運(yùn)動方向?qū)崿F(xiàn)更加精確的控制[6]。PLC與液壓驅(qū)動的聯(lián)合控制，有利于解決對傳統(tǒng)搬運(yùn)效率低、易受環(huán)境條件限制等缺點(diǎn)。文中在分析搬運(yùn)機(jī)械手工作流程的基礎(chǔ)上，提出了一種基于PLC的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，旨在滿足高效、便捷、安全、高精度等性能要求[7]。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

文中設(shè)計四自由度搬運(yùn)機(jī)械手，坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)，由手爪、手腕、手臂（大臂和小臂）、立柱、底座以及驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。工作流程為：初始時刻位于原點(diǎn)位置的機(jī)械手狀態(tài)為手臂上升和手爪松開，當(dāng)進(jìn)入工作狀態(tài)時，機(jī)械手臂反向旋轉(zhuǎn)到物料傳送帶上方并下降，由機(jī)械手爪抓取工件；待工件抓穩(wěn)后，機(jī)械手臂進(jìn)行上升、回縮隨即正向旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過下降將工件置于加工傳送帶，手爪隨即松開工件，通過上升手臂使機(jī)械手回到原點(diǎn)位置，下一個工作周期開始。

2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

考慮到工作環(huán)境的特殊性，故采用結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、驅(qū)動力大、密封性能好的液壓傳動裝置作為文中機(jī)械手的驅(qū)動方式，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的旋轉(zhuǎn)，手臂的伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降，根據(jù)機(jī)械手的功能要求分析，以2臺液壓缸和2臺液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，其中，手腕旋轉(zhuǎn)、手臂旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓馬達(dá)，手臂的升降、伸縮以及手爪夾緊與放松的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓缸。另外，在換向方面，系統(tǒng)對換向的平穩(wěn)性要求不高，所以液壓換向回路采用價格比較低的三位四通閥控制，用來實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械手的升降以及收縮動作，驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計如圖2所示。

2.1 液壓缸的計算

液壓缸是液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能并執(zhí)行直線往復(fù)運(yùn)動（或擺動運(yùn)動）[8]。缸筒和活塞桿是液壓缸的重要結(jié)構(gòu)組成，缸筒和活塞桿的選擇直接影響著液壓傳動的效率。液壓缸缸筒內(nèi)徑：

式中，P為活塞承受的最大推力，N；η為油缸的機(jī)械效率；為液壓缸的進(jìn)、出油腔的壓力差，MPa。

活塞桿直徑：

液壓缸缸筒長度：

根據(jù)相關(guān)參數(shù)的選取結(jié)合上述式子，可計算得到：手臂的伸縮缸內(nèi)徑D1，缸筒長L1，活塞桿直徑d1；手臂的升降缸內(nèi)徑D2，缸筒長L2，活塞桿直徑d2。

2.2 液壓馬達(dá)的選擇

文中機(jī)械手要求旋轉(zhuǎn)速度不高于500r/min，所以機(jī)械手的液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇低速液壓馬達(dá)。表1所示為外五星YLM系列徑向柱塞液壓馬達(dá)型號及性能。結(jié)合實(shí)際要求，手臂選用液壓馬達(dá)型號YLM16-1800，手腕選用液壓馬達(dá)型號YLM16-1600。

表1 外五星YLM系列徑向柱塞液壓馬達(dá)型號及性能

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

可編程控制器以其順序控制的獨(dú)特性仍在工業(yè)控制中占主要地位，放眼所有的工業(yè)控制體系中順序控制是工控最不能缺少的重要環(huán)節(jié)，幾乎任何一個過程控制和生產(chǎn)管理的實(shí)現(xiàn)都需要步驟化和程序化作為基礎(chǔ)，使得執(zhí)行路線均是按照規(guī)定路線一步步進(jìn)行，這種控制任務(wù)的完成方式既能讓大多數(shù)人接受，亦能提高設(shè)計效率。

3.1 硬件設(shè)計

文中機(jī)械手應(yīng)用于自動生產(chǎn)流水線，可以由程序控制其自動運(yùn)行，但是考慮到在執(zhí)行過程中可能會發(fā)生不可預(yù)料的問題，因此設(shè)置了手動運(yùn)行模式，可以在必要時要通過手動操作，按照要求改變機(jī)械手在執(zhí)行過程中發(fā)生的位移誤差，使之具有較好的靈活性。除此以外，文中機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)需要檢測大臂升降與小臂伸縮時的線位移和速度、夾緊工件時的壓力檢測以及大臂與手腕旋轉(zhuǎn)的角位移和轉(zhuǎn)動速度，并且要求實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確控制，所以設(shè)置相應(yīng)的光柵傳感器、壓力變送器和旋轉(zhuǎn)編碼器。

文中設(shè)計共有24路輸入、11路輸出，共計35點(diǎn)，為了使其具有更強(qiáng)的模擬和高速計數(shù)處理能力，且不添加新的擴(kuò)展模塊，因此選用S7-200系列CPU226。表2和圖3分別為可編程控制器的輸入輸出信號地址分配表和外部接線圖。

表2 可編程控制器的輸入/輸出信號地址分配表

圖3 可編程控制器外部接線圖

3.2 主程序設(shè)計

文中機(jī)械手的PLC程序包括主程序和子程序，其中子程序包括復(fù)位程序、手動程序以及自動程序。主程序梯形圖如圖4所示。SM0.1指令指的是當(dāng)PLC接通電源，首次掃面為1，復(fù)位程序接通，完成程序初始化，但是僅此接通一次；與SM0.1不同的SM0.0指令指的是PLC運(yùn)行時就伴隨著SM0.0一直接通，如果此時按下選擇開關(guān)，常閉開關(guān)選擇開關(guān)則會斷開，從而接通手動子程序，反之，一直接通自動子程序。

圖4 主程序設(shè)計

4 仿真分析

為了驗(yàn)證文中機(jī)械手控制系統(tǒng)的可行性，利用PLC（S7-200）平臺對一個周期內(nèi)的自動程序進(jìn)行了仿真分析，通過仿真運(yùn)行文中設(shè)計的控制系統(tǒng)，可以直觀反映出該系統(tǒng)性能的好壞。此次仿真測試主要針對運(yùn)行過程的某一個周期內(nèi)機(jī)械手完成的所有動作，從而判斷程序的編寫是否合理，如果執(zhí)行某一動作的程序編寫有誤，系統(tǒng)會自動報警，停止下一程序的運(yùn)行，如果程序編寫正確，則自動進(jìn)入下一執(zhí)行程序運(yùn)行。該自動程序中涉及到數(shù)次上升和正轉(zhuǎn)。

圖5 自動控制周期仿真圖

從上述仿真結(jié)果來看，文中機(jī)械手在自動控制時可完成大臂上升，大臂正轉(zhuǎn)，小臂伸長，手爪夾緊，大臂反轉(zhuǎn)，手爪放松，小臂縮短，大臂反轉(zhuǎn)等動作，符合所選周期內(nèi)機(jī)械手完成的預(yù)期動作，充分論證了文中機(jī)械手的控制設(shè)計的可行性。

5 結(jié)束語

搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計有效克服了工作環(huán)境的特殊和艱難，間接地保護(hù)了操作人員的身體安全。文中利用液壓驅(qū)動作為搬運(yùn)機(jī)械手關(guān)鍵部位的動力源，極大的提高了機(jī)械手的承重和搬運(yùn)效率；同時基于可編程控制器PLC以S7-200為控制核心，不僅獲得了高精度的控制效果，而且極大的簡化了編寫功能和操作步驟，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)、快、簡的執(zhí)行模式。文中搬運(yùn)機(jī)械手同時設(shè)置手動和自動控制模式，可以實(shí)現(xiàn)特殊要求下對機(jī)械手始末位置的改變，突出了設(shè)計的靈活性。從驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計到基礎(chǔ)硬件的選擇再到程序設(shè)計以及程序仿真，通過對搬運(yùn)機(jī)械手各部分機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程分析，表明該控制系統(tǒng)操作簡單、靈活度高，運(yùn)行過程更加精確可靠，對特種加工的全面智能化和自動化的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。同樣，所涉及的控制方法亦適用于化工、環(huán)保、消防、醫(yī)療等行業(yè)，應(yīng)用前景廣闊[9～11]。