氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與研究

鄧瑜 張闖開(kāi)

摘要：機(jī)械手裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和基本要素。其結(jié)構(gòu)和功能上的合理性的設(shè)計(jì)對(duì)于提高機(jī)器人的可靠性和實(shí)用性具有重要意義，目前，機(jī)械手廣泛采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的PLC控制方法[1]。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;控制系統(tǒng);PLC

0? 引言

隨著現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，作為自動(dòng)化設(shè)備必不可少的工具，機(jī)械手設(shè)備已迅速并廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。它可以在沒(méi)有不可持續(xù)的人工環(huán)境的情況下實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化，移動(dòng)貨物，搬運(yùn)貨物，取代繁重和單調(diào)的人類(lèi)勞動(dòng)，機(jī)械手裝置采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且設(shè)計(jì)方便。越來(lái)越廣泛地被高端智能企業(yè)使用和研究。

1? 機(jī)械手控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

為了使機(jī)械手更協(xié)調(diào)，動(dòng)作更順暢，因此使用PLC編程來(lái)加以控制機(jī)械手裝置的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手按照程序指令進(jìn)行動(dòng)作運(yùn)行，機(jī)械手控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是按指示操作。它還包括性能好的計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)設(shè)備和控制軟件。它可以劃分為四個(gè)部分：機(jī)械手設(shè)備及其傳感設(shè)備，工作環(huán)境，工作任務(wù)和控制器。機(jī)械手是由各種機(jī)制組成的特定設(shè)備。它一般在感知器內(nèi)部裝有各種多樣傳感器;工作環(huán)境是指機(jī)械手工作的周?chē)h(huán)境以及機(jī)械手傳感器設(shè)備的工作狀態(tài);任務(wù)是由機(jī)械手進(jìn)行操作的內(nèi)容，通常以程序指令方式或文本，圖形或聲音輸入;控制器包括與操縱器等效的軟件和硬件，是設(shè)備的大腦中樞，通過(guò)計(jì)算機(jī)或設(shè)定執(zhí)行程序的特定控制器來(lái)執(zhí)行給定任務(wù)。

2? 氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)控制要求

機(jī)械手的工作步驟是：將特定工件從空間位置1平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移到空間位置2。機(jī)械原點(diǎn)設(shè)置在恢復(fù)位置的左上角，機(jī)器人設(shè)備的抓握部分處于松弛狀態(tài)，并且左限位開(kāi)關(guān)和上限開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi);上升，下降和左右移動(dòng)均由PLC編程指令自動(dòng)執(zhí)行。同時(shí)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)能以完成工作。設(shè)計(jì)PLC程序的工作是點(diǎn)動(dòng)、單周循環(huán)、自動(dòng)循環(huán)和步進(jìn)，4種方式[2]。機(jī)械手的基本動(dòng)作周期的簡(jiǎn)化順序是啟動(dòng)→原點(diǎn)-上升-前伸-下降-夾緊-上升-順時(shí)針旋轉(zhuǎn)-下降-解除-后退-順時(shí)針旋轉(zhuǎn)-原點(diǎn)。

3? 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1顯示了該機(jī)械手的氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)的工作原理。它的氣源通過(guò)快速更換接頭從空氣壓縮機(jī)進(jìn)入空氣儲(chǔ)罐（壓力約為4～10Kgf/cm4），然后通過(guò)水過(guò)濾器、壓力閥、石油氣溶膠等進(jìn)入平行道路的電磁閥?？刂聘左w和機(jī)械師的手工操作的功能。

4? PLC選型

本設(shè)計(jì)選擇了三菱公司生成的GX2-Developer編程軟件，目前在自動(dòng)化器件中使用比較廣泛的PLC編程軟件之一。它包括一個(gè)LLT仿真軟件，用戶(hù)可以在個(gè)人計(jì)算器上仿真PLC的操作，從而大大減少了測(cè)試時(shí)間。它可以對(duì)大部分三菱公司出產(chǎn)的PLC進(jìn)行編程，包括A、Q和FX等系列三菱PLC。通常，根據(jù)先前確定的PLC參數(shù)以及PLC的價(jià)格，性能和實(shí)際情況選擇PLC模型。

5? 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

5.1 總體程序結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)具有兩種操作方式，一種是自動(dòng)操作，另一種是人工操作。這兩種情況可以通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令來(lái)區(qū)分?？傮w程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示[3]。由于跳轉(zhuǎn)指令是由手動(dòng)程序和自動(dòng)程序使用的，所以這兩種程序可以使用相同的輸出端口[2，3]。

5.2 手動(dòng)操作程序設(shè)計(jì)

在手動(dòng)操作模式下，程序不易出錯(cuò)，因此會(huì)針對(duì)每個(gè)動(dòng)作分別執(zhí)行程序，并在每個(gè)步驟之后停止并等待下一次手動(dòng)操作。按下按鈕鍵即可執(zhí)行很多種動(dòng)作。該控制程序可以分別單獨(dú)孤立設(shè)計(jì)，并且可以獨(dú)立于正在運(yùn)行的操作程序，而不會(huì)干擾自動(dòng)操作程序。手動(dòng)操作控制相對(duì)簡(jiǎn)單，易懂，控制面板易于掌握和操作。同時(shí)，根據(jù)常規(guī)繼電器件控制電路很容易進(jìn)行設(shè)計(jì)。其梯形圖如圖3所示。

將動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)設(shè)為“進(jìn)/退”時(shí)，X014變?yōu)镺N，若機(jī)械手裝置成為上限位置，則按下開(kāi)始按鈕手開(kāi)始前進(jìn)，按下停止按鈕手向左移動(dòng)。執(zhí)行的是Y00和Y01的順時(shí)針轉(zhuǎn)和逆時(shí)針轉(zhuǎn)。如果將動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)設(shè)定為“夾松”，按下開(kāi)始按鈕后夾持動(dòng)作開(kāi)始，按下停止按鈕后放松動(dòng)作開(kāi)始。Y04和Y05的夾緊動(dòng)作和放松動(dòng)作被執(zhí)行。將動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)設(shè)定為“上/下”后，按開(kāi)始按鈕開(kāi)始降落，按停止按鈕開(kāi)始上升，執(zhí)行Y03和Y02的下降和上升兩個(gè)步驟。

5.3 自動(dòng)操作程序設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)械手裝置到達(dá)其起始點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕并連接S020，其聯(lián)絡(luò)點(diǎn)連接Y03并執(zhí)行著陸程序。當(dāng)按下一級(jí)開(kāi)關(guān)時(shí)，X04連接到下一個(gè)狀態(tài)，S021，然后轉(zhuǎn)向下一個(gè)動(dòng)作;當(dāng)機(jī)械手?jǐn)D壓工作時(shí)，計(jì)時(shí)器會(huì)關(guān)閉，計(jì)時(shí)器的永久接觸會(huì)關(guān)閉，連接到S022，恢復(fù)正常;當(dāng)觸碰最高限量開(kāi)關(guān)時(shí)，X03將被連接起來(lái)，而通常的輸入繼電器孔徑將被關(guān)閉，連接到下一個(gè)狀態(tài)，S03，機(jī)械手前進(jìn);現(xiàn)在右轉(zhuǎn)，當(dāng)觸碰右邊邊界的開(kāi)關(guān)，X06連接，關(guān)閉正常的繼電器開(kāi)啟，連接下一個(gè)狀態(tài)，S04，機(jī)械手開(kāi)始降落;當(dāng)觸碰較低級(jí)別的開(kāi)關(guān)時(shí)，X04將被連接起來(lái)，通常的繼電器孔徑將被關(guān)閉，連接到下一個(gè)S25狀態(tài)，機(jī)械手將被釋放;當(dāng)機(jī)械手完全松開(kāi)并出現(xiàn)在浮控開(kāi)關(guān)中時(shí)，X07將被連接起來(lái)，繼電器的永久輸入觸點(diǎn)將被關(guān)閉，連接到下一個(gè)狀態(tài)，S26，機(jī)械手將被恢復(fù);當(dāng)最高限量開(kāi)關(guān)再次觸動(dòng)時(shí)，X03將被連接起來(lái)，輸入繼電器的正?？讖疥P(guān)閉，連接到下一個(gè)狀態(tài)，S027，機(jī)械手后退;當(dāng)左限開(kāi)關(guān)觸動(dòng)時(shí)，X05連接，正常的繼電器孔徑關(guān)閉，連接到下一個(gè)S20狀態(tài)，機(jī)械手重復(fù)上一個(gè)周期的操作。圖4是自動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

6? 總結(jié)

機(jī)械手控制系統(tǒng)是機(jī)械手裝置設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，其中包括一個(gè)可編程控制器（PLC），其核心是一個(gè)中央處理器，將計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，具有很高的可靠性和靈活性，功能充實(shí)。這對(duì)機(jī)械手的柔軟性和工作效率很重要。

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