搬運機械手控制系統(tǒng)的設計

徐榮健

摘? ?要：近年來，在機械手的發(fā)展基礎上，結合自動化方面的設計，對機械手結構、控制、智能等技術進行了系統(tǒng)的整合，提出了邊工作邊檢測邊反饋數(shù)據(jù)邊自身修正的設計方案。整體化的設計思路充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行整體升級改善，使機械手逐步向小型機械人轉(zhuǎn)化。文章對搬運機械手的整體結構、執(zhí)行結構、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設計。

關鍵詞：機械手;氣動控制;可編程控制器;自動化控制

機械手（Mechanical Hand）能模仿人手和臂的某些動作功能。它在程序的驅(qū)動下可以完成各種規(guī)定的動作，代替人員的操作。東莞市第一個“無人工廠”的開建就是100個機械手同時上崗使其變成現(xiàn)實，現(xiàn)代生活中“無人超市”“無人飛機”“無人駕駛”等新名詞出現(xiàn)，改變?nèi)藗兊纳?，以后機械手一定會在各行各業(yè)中出現(xiàn)更多的“無人……”。機械手的執(zhí)行機構分為：手部、手臂、軀干。驅(qū)動機構的選擇有4種：電氣驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動和機械驅(qū)動。控制機構分為點到點的點位控制和線到線的連續(xù)軌跡（直線、圓、拋物線等）控制兩種。機械手若有6個自由度，可以抓取空間中任意位置的物體。自由度是評價機械手性能、自動化程度、成本等的關鍵參數(shù)。自由度越大，機械手的靈活性越大、功能越多、實用性越廣，其設計、調(diào)試越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。

1? ? 搬運機械手結構及其動作設計

系統(tǒng)總體結構三維布局如圖1所示，系統(tǒng)中各機械手的參數(shù)如表1所示。

1.1? 結構和工作原理

該機械手由鋼型材和鋁型材結構支架部分、電機和運動執(zhí)行部分、真空部分、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）電控部分等組成，如圖2所示。

1.2? 系統(tǒng)運行過程

（1）系統(tǒng)開機后，系統(tǒng)自檢。

（2）如果機械手沒有在原點，按下“啟動”按鈕或“回原點”按鈕后會執(zhí)行復位程序，機械手會回到原點。

（3）如果機械手已經(jīng)在原點，按下“啟動”按鈕后系統(tǒng)要先離開原點，然后緩慢返回原點，以保證原點的一致性。

（4）真空系統(tǒng)啟動，機械手開始下降（動作⑤），“縱向運行指示燈”亮，當吸盤與板料接觸后，安裝在吸盤上的接近開關會發(fā)出信號，機械手停止向下運行，運行時間2 s。

（5）吸取板料，延時1.5 s（動作⑥），以便讓吸盤能夠牢固地吸取到板料，“吸盤吸取指示燈”亮。

（6）縱向提升板料（動作⑦），“縱向電機運行指示燈”亮，當垂直上限位開關閉合后停止向上運動，運行時間2 s。

（7）橫向搬運板料（動作⑧），“橫向電機運行指示燈”亮，當橫向運行到堆垛方向上的限位開關后，停止橫向運動，運行時間7 s。

（8）放板料（動作①），“縱向電機運行指示燈”亮，“橫向電機運行指示燈”熄滅。

（9）機械手下降到堆垛上以后，吸盤上的接近開關閉合，則停止向下運動，運行2 s，關真空泵，“縱向電機運行指示燈”熄滅，延時1.5 s（動作③），以便讓板料和吸盤間的真空消失，“吸盤吸取指示燈”熄滅。

（10）提升機械手（動作②），“縱向電機運行指示燈”亮，當垂直上限位開關閉合后停止向上運動，運行時間2 s。

（11）橫向回原點（動作④），“橫向電機運行指示燈”亮，運行時間7 s。“縱向電機運行指示燈”熄滅。

（12）回到原點后，“橫向電機運行指示燈”熄滅。整個放料過程結束，機械手等待下一塊板料來到后，重復執(zhí)行此過程。

2? ? PLC控制任務的設計過程

2.1? PLC的選型

對于PLC的選擇，主要考慮如如下4個方面：（1）I/O點數(shù)。（2）PLC的存儲容量。（3）CPU性能。（4）經(jīng)濟型。本設計中輸入點數(shù)22 PCS、輸出點數(shù)15 PCS，在實際使用中要考慮后續(xù)的擴充、損壞等，所以一般按1.5部以上的控制器點數(shù)選擇;PLC容量在1 000步以上;CPU在性價比好的情況下越高越好。次要考慮使用環(huán)境、操作方便等。

PLC從美國通用汽車公司第一次提出該需求，到第二年成功研發(fā)出基于集成電路和電子技術的控制裝置，第一次用了程序化的方式來控制電氣的工作，后來爆破式的發(fā)展是在計算機中應用的需求越來越大，研發(fā)的公司越來越多，技術越來越成熟，型號很多，但是各個廠家生產(chǎn)的重點有一定區(qū)別，發(fā)展方向也不同，所以必須根據(jù)自己的設計需要考慮如何選擇。下面介紹幾家中國市場上比較主流的公司相關產(chǎn)品。

德國西門子（SIEMENS）公司在中國機械制造、電力、醫(yī)療、通信電子等許多行業(yè)中有應用，其可靠的電子元器件、便利的操作頁面、超長的使用壽命等優(yōu)點在使用中很受大家的歡迎。日本三菱公司的PLC特點：可靠性高、操作簡便;豐富的內(nèi)置集成功能;強勁通信能力;豐富的擴展模塊;簡單、易用的Micro/WIN編程軟件。歐姆龍OMRON（中國）公司的PLC特點是：功能完善的緊湊型PLC，其中SYSMAC CPM1A的大小僅相當于一個PC卡（對于10點以下的機型來說），使安裝更加方便，在緊密型的控制柜中是一個很好的選擇，可以把更多的空間解放給其他結構。

結合上面幾家產(chǎn)品的特點，就搬運機械手對PLC功能的要求確定型號FX1N-60MR。FX1N—60MR完全可以滿足要求，同時具有較好的性價比，使用和維修方便?？紤]將來工藝的變化和擴展，在滿足使用的要求外，留有一定的余量，確保整個控制系統(tǒng)可靠。日常中經(jīng)常使用三菱公司原F、F1、F2系列PLC產(chǎn)品，其編程指令易懂，培訓快，溝通異常通暢。用三菱FX1N做控制核心，采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構。

2.2? PLC外部接線圖

PLC外部接線圖的輸入輸出設備、負載電源的類型等的設計是結合系統(tǒng)的控制要求來設定的。氣動機械手控制外部接線如圖3所示。

2.3? 機械手控制流程

啟動空氣壓縮機，打開氣源開關，接通PLC，氣控回路在PLC的控制下，推動氣缸活塞桿實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)運動、上下運動和手指的開合運動。順序地完成下降、夾緊、上升、右行、下降、松開、上升、左行等8個動作，按要求循環(huán)進行。機械手的控制流程如圖4所示。

3? ? 結語

在設計中應用的是真空吸盤，不同于傳統(tǒng)的機械手爪，在真空方面的知識加深的同時，也認識到了其相對手爪的優(yōu)勢。真空吸盤具有結構簡單、安裝方便、外形美觀、吸持力強等特點。在機械日益發(fā)展的今天，真空吸盤設備將會得到更廣泛的應用。

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