自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

潘平盛

（廣東理工學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化系，廣東 肇慶 526040）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、人民美好生活對(duì)物質(zhì)提高了要求，特別是對(duì)飲食和衣著方面。因此，提高生產(chǎn)技術(shù)至關(guān)重要，而在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械手具有穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)單、以及高效率特點(diǎn)，很好的適應(yīng)在特殊場(chǎng)合和工作環(huán)境中，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-2]。目前，我國(guó)碼垛機(jī)械手控制系統(tǒng)上取的很大突破和研究。例如：文獻(xiàn)[3]研究的玻璃檢測(cè)機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)控制的玻璃檢測(cè)機(jī)機(jī)械臂，并闡述了其工作原理；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了鋼化玻璃碎片快速檢測(cè)裝置，對(duì)裝置結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也能很好地驗(yàn)證其檢測(cè)效果；文獻(xiàn)[5]對(duì)板材下料自動(dòng)拾取機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，利用Simulink對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和仿真。

設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手是一種直角坐標(biāo)式機(jī)械手，執(zhí)行裝置是伺服電機(jī)和氣缸。機(jī)械手末端的夾取通過(guò)氣缸的伸縮來(lái)完成，而X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)前后、左右、上下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。碼垛機(jī)械手創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于：（1）X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中負(fù)載能力強(qiáng)；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，降低生產(chǎn)成本。

2 機(jī)械手平臺(tái)的搭建及系統(tǒng)控制要求

2.1 機(jī)械手基本組成結(jié)構(gòu)

機(jī)械手主要由支架3、Y方向的移動(dòng)臂4、Z方向的升降臂6、末端吸盤(pán)10、以及電機(jī)組成，如圖1所示。機(jī)械手主要安裝在傳輸線(xiàn)兩側(cè)，如圖2所示。左側(cè)是將傳輸線(xiàn)上產(chǎn)品抓取并放入檢測(cè)柜的每一層中，右側(cè)機(jī)械手平臺(tái)主要是將檢測(cè)完成的產(chǎn)品取出并放入傳輸線(xiàn)。產(chǎn)品檢測(cè)柜平臺(tái)，主要組成有多層架構(gòu)、產(chǎn)品檢測(cè)儀。其作用是將傳輸線(xiàn)上傳送過(guò)來(lái)的待檢產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。而多層架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)快速擺放并進(jìn)行檢測(cè)，提高檢測(cè)和抓取效率。

圖1 碼垛搬運(yùn)機(jī)械手平臺(tái)Fig.1 Pallet Handling Manipulator Platform

圖2 自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)碼垛柜平臺(tái)Fig.2 Automatic Production Line Stacking Cabinet Platform

2.2 機(jī)械手控制要求

將待檢產(chǎn)品經(jīng)左側(cè)傳輸帶傳輸?shù)綑z測(cè)柜處，左側(cè)機(jī)械手將產(chǎn)品依次碼放在檢測(cè)柜的各層之間，待檢測(cè)完成后，右側(cè)機(jī)械手依次抓取并存放在右側(cè)傳輸帶中進(jìn)入下一道工序繼續(xù)加工處理。機(jī)械手機(jī)抓取工步順序具體要求如下：

抓取工步要求：

（1）X、Y方向水平移動(dòng)情況：X方向移動(dòng)是靠導(dǎo)滾珠絲杠完成的，而Y方向移動(dòng)是靠導(dǎo)軌系統(tǒng)完成的，兩者都是由PLC脈沖輸出位置控制功能驅(qū)動(dòng)伺服放大器控制伺服電機(jī)精確定位。

（2）變頻調(diào)速：控制過(guò)程中采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，便于控制機(jī)械臂前后、左右、上下運(yùn)動(dòng)。

（3）整個(gè)碼垛搬運(yùn)過(guò)程可以由兩種操作方式完成搬運(yùn)動(dòng)作：

自動(dòng)循環(huán)操作：按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手按照人為設(shè)定的控制程序連續(xù)完成碼垛搬運(yùn)工作，直到按下停止按鈕，否則搬運(yùn)工作一直進(jìn)行；

手動(dòng)操作：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，末端吸盤(pán)吸取、X方向前后移動(dòng)、Y方向左右移動(dòng)、Z方向升降等8個(gè)動(dòng)作步設(shè)置8個(gè)按鈕，分別控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。

（4）末端吸盤(pán)吸附和松開(kāi)、X方向移動(dòng)、Y方向移動(dòng)、Z方向升降等運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)精確定位，且每個(gè)動(dòng)作相互之間必須有互鎖作用。

（5）機(jī)械手末端真空吸盤(pán)必須氣密性良好。

3 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

3.1 氣動(dòng)回路基路本組成

氣動(dòng)回路組成包括：氣源裝置、介質(zhì)、執(zhí)行元件、控制元件、輔助部分[7]。機(jī)械手末端氣動(dòng)原理圖，如圖3所示。主要由過(guò)濾器、調(diào)壓閥、電磁閥、換向閥、夾持氣缸組成。

末端吸盤(pán)氣壓控制回路，如圖3所示。電磁鐵動(dòng)作順序，如表1所示。首先，當(dāng)工件到達(dá)指定位置時(shí)，三位五通電磁換向閥左側(cè)YV1、換向閥YV3同時(shí)得電，處理后的氣體快速進(jìn)入，使得機(jī)械手末端吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)碼垛吸附；其次，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到碼垛指定擺放位置時(shí)，三位五通電磁換向閥右側(cè)YV2、換向閥YV4同時(shí)得電，機(jī)械手末端實(shí)現(xiàn)碼垛松開(kāi)，此時(shí)碼垛進(jìn)入傳送帶進(jìn)入下一道工序；最后，當(dāng) YV1、YV2、YV3、YV4 同時(shí)都處于失電情況下，機(jī)械手末端吸盤(pán)處于原位保持，等待下一個(gè)命令啟動(dòng)。

圖3 機(jī)械手末端氣動(dòng)原理圖Fig.3 Pneumatic Schematic Diagram of Manipulator

表1 控制系統(tǒng)電磁閥動(dòng)作順序表Tab.1 Control System Solenoid Valve Action Sequence Table

3.2 電氣元件選型

設(shè)計(jì)的機(jī)械手控制系統(tǒng)中主要相關(guān)元器件型號(hào)，如表2所示。

表2 控制系統(tǒng)主要元器件列表Tab.2 Control System Main Components List

3.3 機(jī)械末端夾取吸盤(pán)力計(jì)算

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)吸盤(pán)臂上安裝1個(gè)吸盤(pán)，如圖1所示。吸盤(pán)直徑為：

式中：G—碼垛重量，單位N；t—安全系數(shù)，當(dāng)水平吸附碼垛時(shí)t≥4；n—洗盤(pán)的個(gè)數(shù)，此時(shí)n=1；P—吸盤(pán)真空度，單位為MPa；R—吸盤(pán)直徑，單位mm。

試驗(yàn)中，一塊碼垛的平均重力G=200N，單個(gè)吸盤(pán)直徑R=160mm，因此在水平吸附吸附下，吸盤(pán)的真空度分別為：

4 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件組成

機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件組成包括：主控器PLC和外部輸入輸出設(shè)備。主控制器采用三菱PLC，包括電源、I/O、存儲(chǔ)器以及通訊端口；輸入設(shè)備包括傳感器、控制按鈕、控制面板以及觸摸屏；輸出設(shè)備主要包括電磁閥、變頻器、繼電器以及負(fù)載，例如報(bào)警燈，鳴笛等[8]。

4.2 PLC編程

機(jī)械手控制系統(tǒng)主要有兩種控制模式：手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制和觸摸屏控制。主控器三菱PLC上的I/O口作為輸入、輸出，控制著整個(gè)機(jī)械手動(dòng)作。在手動(dòng)控制情況下，需要8個(gè)開(kāi)關(guān)控制著X、Y、Z方向的輸出伺服電機(jī)以及末端輸出夾取電磁換向閥，方便手動(dòng)調(diào)試和檢修；在觸摸屏控制方式下，有單周期和自動(dòng)循環(huán)選擇，通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏軟開(kāi)關(guān)向觸摸屏輔助繼電器M發(fā)出命令，從而控制輸出線(xiàn)圈變化；其中M1作為單周期和自動(dòng)循環(huán)選擇命令，M2為復(fù)位命令，M3為啟動(dòng)命令，M0為等待搬運(yùn)狀態(tài)命令。機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC的I/O分配，如表3所示。當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)初始化完成之后，在觸摸拼控制模式下，按下啟動(dòng)按鈕M3時(shí)，機(jī)械手完成左移、右移、前進(jìn)、后退、上升、下降、夾取、松開(kāi)等多個(gè)工序，控制流程圖，如圖4所示。

表3 機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC的I/O表Tab.3 Mechanical Control System PLC I/O Table

圖4 機(jī)械手功能流程圖Fig.4 Function Flowchart of the Manipulator

4.3 伺服電機(jī)控制模型

機(jī)械手控制系統(tǒng)分為：傳輸模塊和搬運(yùn)模塊。皮帶輪傳輸和搬運(yùn)機(jī)械手X、Y、Z方向移動(dòng)主要通過(guò)控制伺服電機(jī)，機(jī)械手才能夠完成左移、右移、前進(jìn)、后退、上升、下降、夾取、松開(kāi)等多個(gè)工序。因此，伺服電機(jī)控制的研究對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)位置和速度具有重要的意義。伺服電機(jī)的物理模型，如圖5所示。

圖5 伺服電機(jī)物理模型Fig.5 Physical Model of Servo Motor

圖中：Ua—電樞輸入電壓（V）；Ra—電樞阻值（H）；La—電樞電感（H）；ia—電樞電感（A）；Uq—電樞電感（V）；J—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ—轉(zhuǎn)角（rad）；B—粘性阻尼系數(shù)（N.m.s）；Tg—電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（N.m）。

根據(jù)牛頓第二定律及基爾霍夫定律[9]，對(duì)圖6示意圖列出方程組：

經(jīng)過(guò)來(lái)普拉斯變換法，消除中間變量，得到傳遞函數(shù)為：

其中，J=3.23，B=3.51，Ra=4.00，La=2.75，Kt=Ke=0.03。

5 觸摸屏界面建立及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

5.1 建立觸摸屏界面

機(jī)械手控制系統(tǒng)監(jiān)控建立在工業(yè)組態(tài)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中我們采用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為本次試驗(yàn)的監(jiān)控設(shè)備，在MCGS中建立搬運(yùn)機(jī)械手變量和PLC變量，并且將兩者變量相互建立關(guān)系，最終得到系統(tǒng)聯(lián)機(jī)界面監(jiān)測(cè)，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試效果圖Fig.6 The System Runs the Test Effect Chart

5.2 仿真結(jié)果和分析

將整個(gè)控制系統(tǒng)線(xiàn)路連接之后，設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不同的PID參數(shù)，如表4所示。通過(guò)操作上位機(jī)，測(cè)試出在不同PID參數(shù)下機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)（包括平穩(wěn)程度、達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)所需要的時(shí)間），如表4所示。利用Matlab仿真實(shí)驗(yàn)得出電機(jī)趨于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的最優(yōu)參數(shù)，且Matlab仿真PID控制方式下的階躍響曲線(xiàn)，如圖7所示[10-11]。

表4 PID參數(shù)控制階躍響應(yīng)時(shí)間及單板分揀時(shí)間表Tab.4 PID Parameters Control Step Response Time and Single Board Sorting Schedule

圖7 PID控制階躍響應(yīng)圖Fig.7 The Step Response Diagram of PID Control

對(duì)比P、PI、PD、PID控制參數(shù)表表4和PID控制方式下的仿真曲線(xiàn)圖7，可以看出：

（1）PID控制方式下，系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定狀態(tài)，所需要的時(shí)間最小。

（2）對(duì)比 P、PI、PD、PID 控制方式下，系統(tǒng)的平穩(wěn)度從波動(dòng)、微波動(dòng)、相對(duì)平穩(wěn)、穩(wěn)定等狀態(tài)逐步趨于穩(wěn)定。

（3）PID控制的響應(yīng)曲線(xiàn)在輸出值沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

（4）PID控制輸出響應(yīng)曲線(xiàn)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為0.008s，響應(yīng)速度比P、PI、PD、控制明顯提高，且沒(méi)有靜態(tài)誤差。

因此，碼垛機(jī)械手X、Y、Z方向電機(jī)控制系統(tǒng)采用PID控制，PID控制比P、PI、PD控制其性能明顯提高，超調(diào)較小，穩(wěn)定時(shí)間快，具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)的機(jī)械手是一種直角坐標(biāo)式機(jī)械手，執(zhí)行裝置是伺服電機(jī)和氣缸：

（1）以碼垛搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了其自動(dòng)化控制系統(tǒng)，介紹了機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖、氣動(dòng)回路、電機(jī)控制、系統(tǒng)硬件組成、以及PLC的I/O分配；

（2）建立控制電機(jī)模型，利用組態(tài)王軟件建立人機(jī)交互按界面，通過(guò)Matlab仿真不斷調(diào)節(jié)PID參數(shù)，得出P、PI、PD、PID控制下的伺服電機(jī)最優(yōu)控制參數(shù)和階躍響應(yīng)圖。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，PID控制下其性能明顯提高，超調(diào)較小，穩(wěn)定時(shí)間快，具有更好的動(dòng)態(tài)性能，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。