基于PLC控制的翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

楊要恩　劉明治　王志偉

摘 ?要： 針對(duì)傳統(tǒng)的車(chē)架裝配翻轉(zhuǎn)機(jī)往往只是通過(guò)千斤頂?shù)群?jiǎn)單的鎖鏈捆綁進(jìn)行作業(yè)，導(dǎo)致安全系數(shù)低及費(fèi)時(shí)耗力的不足，設(shè)計(jì)一種新型任意角度大小可控的翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人。依據(jù)所裝配車(chē)架大小各異的特點(diǎn)設(shè)計(jì)該裝備的可調(diào)整大小夾取機(jī)構(gòu)，并采用PLC控制模塊對(duì)紅外傳感器及無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)所設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人可以完成對(duì)大小不同車(chē)架的抓取、抬升和旋轉(zhuǎn)等任意角度可控的裝配工作，實(shí)現(xiàn)更高效、更安全、更方便的裝配工作任務(wù)。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人; 翻轉(zhuǎn)裝配; PLC控制; 遠(yuǎn)程控制; 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì); 實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN876?34; TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）24?0005?03

Design and research of flip assembly robot based on PLC control

YANG Yaoen1，2， LIU Mingzhi1， WANG Zhiwei2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xidian University， Xian 710071， China;

2. Department of Rail transportation， Shijiazhuang Institute of Railway Technology， Shijiazhuang 050043， China）

Abstract： In allusion to the fact that the traditional frame assembly flip machine often works with the simple chain binding such as Jack， which results in the shortages of low safety factor， long time?consumption and much labor?consumption， a new type flip assembly robot with controllable arbitrary angular change is designed. The clamping mechanism with adjustable size is designed according to the feature of different sizes of the assembled frame， and the control system of infrared sensor and wireless transceiver module is designed by means of the PLC control module. The experimental research on the flip assembly robot was performed. The results show that the flip robot can complete the assembly work of grabbing， lifting and rotating the frames with different sizes at any angles， and can complete the assembly task more efficiently， more safely and more conveniently.

Keywords： robot; flip assembly; PLC control; remote control; control system design; experimental analysis

0 ?引 ?言

目前常用的裝配車(chē)架翻轉(zhuǎn)機(jī)功能一般單一且固定不變，存在很大的限制，面對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)器并不能應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的復(fù)雜且多樣性需求。傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)角度有限，且有部分翻轉(zhuǎn)機(jī)只能針對(duì)與其相匹配的車(chē)架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，工人在作業(yè)中只能采取僵硬的操作姿勢(shì)進(jìn)行加工，長(zhǎng)此以往，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)就需要一些新型的技術(shù)加以應(yīng)用升級(jí)。新型的翻轉(zhuǎn)機(jī)器人在材料、結(jié)構(gòu)、技術(shù)等方面都被優(yōu)化，在面對(duì)現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)里因翻轉(zhuǎn)機(jī)器而造成的困擾都顯得游刃有余，面對(duì)各種復(fù)雜問(wèn)題就要求翻轉(zhuǎn)機(jī)滿(mǎn)足相應(yīng)的移動(dòng)簡(jiǎn)單、角度多面等優(yōu)點(diǎn)。此外，新動(dòng)力的注入可以使技術(shù)人員在進(jìn)行加工的時(shí)候省時(shí)省力，且打破了多年以來(lái)技術(shù)人員只能采取僵硬的姿勢(shì)來(lái)疲勞操作的難點(diǎn)，新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人足以為技術(shù)人員提供各種最為理想的加工方式[1?4]。

1 ?新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

一般而言，機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由機(jī)械部分、控制部分和傳感部分共同組成，而該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)同樣以這三大部分作為骨架來(lái)支撐起翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的各個(gè)功能的相關(guān)任務(wù)。機(jī)械部分是參考機(jī)械力學(xué)如何施加力的情況下，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)給受力物體施加合理的機(jī)械力，從而使得物體能夠完成抓取、旋轉(zhuǎn)等作業(yè)需求，并支撐起翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的基礎(chǔ)框架和執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。控制部分是翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的最為重要的核心，這個(gè)部分是進(jìn)行翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的信號(hào)接收和發(fā)送，來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)功能的運(yùn)行完成作業(yè)任務(wù)，而控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好與壞直接關(guān)系到翻轉(zhuǎn)機(jī)器人能否正常運(yùn)行以及作業(yè)的精度和整體的性能。傳感部分主要是通過(guò)使用多個(gè)紅外傳感器來(lái)反饋翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和確定翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的位置。紅外傳感器是一種檢測(cè)裝置，其能夠感受被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的輸出信息，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、記錄和控制等需求，通過(guò)機(jī)械、控制和傳感這三個(gè)部分之間的相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的所有功能。本文設(shè)計(jì)的新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人，以PLC控制機(jī)為核心控制器，通過(guò)對(duì)PLC控制程序的逐步運(yùn)行對(duì)伺服電機(jī)下達(dá)正反的轉(zhuǎn)動(dòng)命令，從而使翻轉(zhuǎn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作動(dòng)作和功能。翻轉(zhuǎn)機(jī)器人可以通過(guò)與WiFi模塊的通信，實(shí)現(xiàn)基于使用觸控面板進(jìn)行人為的對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人行為的干預(yù)與監(jiān)控[5?7]。圖1為新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)。

該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人按照功能分為4個(gè)模塊：無(wú)線(xiàn)通信部分主要是通過(guò)WiFi模塊和觸控面板共同組成，其主要功能是通過(guò)觸控面板手動(dòng)輸入指令使翻轉(zhuǎn)機(jī)器人停止運(yùn)行或開(kāi)始運(yùn)行，WiFi模塊接收指令后與PLC控制機(jī)進(jìn)行通信，PLC控制機(jī)控制伺服電機(jī)接通或斷開(kāi)電源，最后由伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的抓取、抬升、翻轉(zhuǎn)的任務(wù)。電源模塊主要是為翻轉(zhuǎn)機(jī)器人提供220 V或380 V三相交流電，可以使翻轉(zhuǎn)機(jī)器人持續(xù)工作長(zhǎng)達(dá)24 h。

2 ?新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1 ?抬升部

設(shè)計(jì)使用到1部電動(dòng)機(jī)、4個(gè)輪槽、2條鋼索、2條導(dǎo)軌槽、1根軸以及1個(gè)升降板。將電動(dòng)機(jī)通過(guò)軸把2個(gè)輪槽連接到一起，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)通過(guò)軸帶動(dòng)輪槽一起運(yùn)動(dòng)。將2個(gè)輪槽按一定的間距安裝到機(jī)體頂部，為鋼索連接升降板提供中間支撐部分。在升降板頂部焊接有2個(gè)鋼索連接口用來(lái)固定鋼索，將升降板嵌入導(dǎo)軌槽，為升降板提供一個(gè)固定運(yùn)動(dòng)方向的支撐。最后使用鋼索連接電動(dòng)機(jī)兩邊的輪槽經(jīng)頂部輪槽連接到升降板，用物理拉升力最終來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)架的抬升。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.2 ?夾取部

使用到1部電動(dòng)機(jī)、3個(gè)齒輪、2根軸和2個(gè)夾子。在電動(dòng)機(jī)上安上1個(gè)齒輪，與2個(gè)焊有齒輪的軸相互裝配，再將軸連到2個(gè)夾子上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，2個(gè)夾子對(duì)向繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)將夾子張開(kāi)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)反向翻轉(zhuǎn)時(shí)，2個(gè)夾子閉合，給物體施加壓力，最終實(shí)現(xiàn)物體的爪取。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 ?旋轉(zhuǎn)部

使用到1部電動(dòng)機(jī)、1根軸。首先在升降板上鉆取一個(gè)和軸相同尺寸的孔，使軸有一定的間隙可以穿過(guò)并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再將電動(dòng)機(jī)連接到軸上并與升降板固定，而軸的另一端將機(jī)械爪的后部與軸焊接。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)軸，軸上的機(jī)械爪便開(kāi)始工作。

3 ?翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的控制與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的運(yùn)行，翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用了PLC在伺服電機(jī)中的應(yīng)用。對(duì)于系統(tǒng)細(xì)節(jié)的有效處理，則主要涉及PLC與伺服電機(jī)兩個(gè)方面。伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的核心，其主要負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換工作，因此相對(duì)于其他電機(jī)而言，其需要具備轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。伺服電機(jī)又稱(chēng)為執(zhí)行電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行環(huán)節(jié)，其能夠根據(jù)相應(yīng)的指令控制信號(hào)等，調(diào)整和優(yōu)化機(jī)器的運(yùn)行速度及方向[7?10]。

該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人配有紅外傳感器可時(shí)刻定位翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的狀態(tài)。觸控面板可以下達(dá)運(yùn)行指令同時(shí)監(jiān)控翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)WiFi模塊向PLC控制機(jī)通信，然后利用紅外傳感器協(xié)助各個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行初始化定位。

在翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的機(jī)架和機(jī)械爪上裝配有多臺(tái)紅外傳感器，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)架進(jìn)入后，將信號(hào)傳給PLC控制機(jī)，控制機(jī)經(jīng)過(guò)對(duì)程序梯形圖的計(jì)算后，抬升伺服電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)執(zhí)行下降、升起的指令;當(dāng)機(jī)械爪與車(chē)架對(duì)齊時(shí)，傳感器反饋信息給PLC控制機(jī)，控制機(jī)給伸縮伺服電機(jī)通電使其正反轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)械爪的前進(jìn)或后退指令;當(dāng)機(jī)械爪接觸到車(chē)架時(shí)，其傳感器信息反饋給PLC控制機(jī)，控制機(jī)給抓取伺服電機(jī)通電，使其正反轉(zhuǎn)執(zhí)行抓取指令;當(dāng)抓取到車(chē)架，PLC控制機(jī)收到反饋信息，最后控制機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)給電，使其正反轉(zhuǎn)，讓翻轉(zhuǎn)機(jī)器人最終執(zhí)行旋轉(zhuǎn)指令。

而在此期間工作人員可以通過(guò)觸控面板進(jìn)行監(jiān)控翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的運(yùn)行，如果運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可通過(guò)WiFi模塊給PLC控制機(jī)下達(dá)停止指令，否則此前的運(yùn)行指令將反復(fù)按PLC程序梯形圖運(yùn)行，便可完成一個(gè)流水線(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化工作任務(wù)。圖4為翻轉(zhuǎn)機(jī)器人控制流程圖。

3.1 ?翻轉(zhuǎn)機(jī)器人自檢

當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人接通220 V或380 V的三相交流電，翻轉(zhuǎn)機(jī)器人會(huì)啟動(dòng)自檢，紅外傳感器配合PLC控制機(jī)時(shí)刻保持通信，而PLC控制機(jī)同時(shí)給抬升、抓取、伸縮和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通電，使其運(yùn)行。紅外傳感器會(huì)將翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的升降板位置和機(jī)械爪的狀態(tài)反饋給PLC控制機(jī)，控制機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算后將翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的初始位坐標(biāo)及機(jī)械爪輸出狀態(tài)的數(shù)據(jù)下發(fā)給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)接收到控制機(jī)的信息后就運(yùn)行到指定坐標(biāo)完成自檢，等待車(chē)架進(jìn)入運(yùn)行程序。

3.2 ?翻轉(zhuǎn)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程

當(dāng)車(chē)架進(jìn)入工作區(qū)間，PLC控制機(jī)控制抬升伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)正轉(zhuǎn)使鋼索放松升降板靠自身重量緩慢沿著導(dǎo)軌槽下降，升降板下降到與車(chē)架平行時(shí)會(huì)碰到紅外傳感器，傳感器反饋信息給PLC，PLC把抬升電機(jī)的電斷開(kāi)使升降板停止;PLC同時(shí)給伸縮電機(jī)供電，伸縮電機(jī)正轉(zhuǎn)推動(dòng)機(jī)械爪向前運(yùn)行，當(dāng)車(chē)架撞到機(jī)械爪內(nèi)側(cè)的傳感器，伸縮電機(jī)停止運(yùn)行，抓取電機(jī)得電，正轉(zhuǎn)機(jī)械爪向內(nèi)收緊。本文新型設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的機(jī)械爪的爪頭上安裝有壓力傳感器，當(dāng)機(jī)械爪對(duì)車(chē)架造成的壓力到達(dá)設(shè)定值時(shí)，信息被反饋給PLC，PLC便會(huì)斷開(kāi)抓取電機(jī)的供電。抓取完成后抬升電機(jī)得電反轉(zhuǎn)拉緊鋼索帶著升降板上升，使車(chē)架離地;然后PLC給旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)供電，電機(jī)正轉(zhuǎn)車(chē)架每次緩慢旋轉(zhuǎn)15°直到旋轉(zhuǎn)360°停止;最后抬升電機(jī)得電，正轉(zhuǎn)緩慢把車(chē)架放回地面，抓取、伸縮和抬升電機(jī)以不同的速度同時(shí)運(yùn)行返回初始位置。

4 ?結(jié) ?論

本文提出一種新型翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人，總體設(shè)計(jì)上由機(jī)械部分、控制部分、傳感部分共同支撐起了翻轉(zhuǎn)機(jī)的骨架，其機(jī)械部分主要包括車(chē)架和底盤(pán)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)。通過(guò)PLC控制機(jī)、紅外傳感器和伺服電機(jī)間的相互協(xié)調(diào)一步一步地完成翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的抓取任務(wù)、抬升任務(wù)和翻轉(zhuǎn)任務(wù)。該設(shè)備技術(shù)可使汽車(chē)配件平穩(wěn)上升，并實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，以滿(mǎn)足不同車(chē)型、不同角度的加工需求，對(duì)車(chē)架車(chē)體進(jìn)行夾緊、旋轉(zhuǎn)和升降，可以很好地協(xié)助工作人員對(duì)車(chē)架車(chē)體進(jìn)行裝配、拆解以及維修等。并能根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人在不同的場(chǎng)合下使用，不斷地調(diào)整翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)和軟件環(huán)境，使得翻轉(zhuǎn)機(jī)器人在任意角度可以完全受控。

研究結(jié)果表明，該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)的使用，同時(shí)也可以避免鎖鏈吊轉(zhuǎn)車(chē)架和地溝作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，只需通過(guò)WiFi通信和觸控面板的監(jiān)控以及人為控制便可完成作業(yè)，其實(shí)用性強(qiáng)，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但還存在幾方面需要完善：

1） 雖然機(jī)體采用了鏤空的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)體進(jìn)行了輕量化處理，但是機(jī)體還是看上去非常笨重;

2） 在翻轉(zhuǎn)機(jī)器人抓取車(chē)架后進(jìn)行的抬升過(guò)程中，升降板和機(jī)械爪受到較大的重量，所以材料的選擇非常的重要，既要考慮材料的堅(jiān)韌性又要考慮成本價(jià)格。

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作者簡(jiǎn)介：楊要恩，女，博士，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)及測(cè)試技術(shù)等。