基于PLC的桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程晟

（山西能源學(xué)院 機(jī)電工程系，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展與完備，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化行業(yè)在此大背景下，呈現(xiàn)出較快的發(fā)展勢(shì)頭，有力地推動(dòng)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、高速、穩(wěn)健發(fā)展[1]。在歐美日等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家，由加工中心和桁架機(jī)械手組成的敏捷柔性生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)是主流產(chǎn)品。桁架機(jī)械手作為柔性輸送系統(tǒng)，已成為柔性加工自動(dòng)線中的重要組成部分[2]。桁架機(jī)械手將在推動(dòng)中國(guó)產(chǎn)業(yè)智能化的進(jìn)程中起到舉足輕重的作用。桁架式機(jī)械手也叫龍門式機(jī)器人，屬于直角坐標(biāo)機(jī)器人的一種。機(jī)械加工行業(yè)所設(shè)計(jì)的桁架式機(jī)械手與數(shù)控機(jī)床的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在該設(shè)備或多設(shè)備之間的工件自動(dòng)抓取、上料、下料、工件轉(zhuǎn)序加工[3]。桁架機(jī)械手與機(jī)床是構(gòu)成自動(dòng)加工生產(chǎn)線的主要設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)全部工藝過程中的工件自動(dòng)抓取、上下料、裝夾、工件移位翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序加工等操作[4]。

桁架機(jī)械手由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電動(dòng)、氣動(dòng)回路和控制系統(tǒng)等部分組成。本次設(shè)計(jì)的桁架機(jī)械手可以與自動(dòng)生產(chǎn)線配合，完成以大批量生產(chǎn)為基礎(chǔ)的小型部件生產(chǎn)運(yùn)輸，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。與關(guān)節(jié)式的工業(yè)機(jī)器人相比，桁架機(jī)械手有以下特點(diǎn)：1）工作行程自由設(shè)計(jì)，節(jié)省工作空間；2）制造成本較低，制造工藝簡(jiǎn)單，后期維護(hù)方便；3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝與調(diào)試；4）穩(wěn)定性和精確度高；5）拓展能力強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際需要為機(jī)械手更換不同的工作部件，具有工作多樣性及生產(chǎn)方式的高適應(yīng)性。

1 桁架機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桁架機(jī)械手結(jié)構(gòu)為兩軸式（如圖1），由桁架主體、X軸進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、桁架機(jī)械手夾取裝置、工件工位擺放臺(tái)等組成。桁架主體安裝在工件擺放臺(tái)上，立柱支撐X軸和Z軸分別設(shè)有導(dǎo)軌和進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，氣動(dòng)手夾取裝置安裝在Z軸下端。

圖1 桁架機(jī)械手結(jié)構(gòu)

X軸橫梁距離長(zhǎng)、負(fù)載大，容易導(dǎo)致彎曲，而使X軸的水平度不夠?qū)е耑方向產(chǎn)生距離誤差，也使得X方向運(yùn)行流暢度降低。故對(duì)X方向平直度和剛度均具有一系列要求。本設(shè)計(jì)以滑軌控制運(yùn)動(dòng)軌跡，以滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過固定軸承將X軸的滾珠絲杠進(jìn)行軸向固定，軸端安裝有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滾珠螺母進(jìn)行軸向移動(dòng)，滾珠螺母與滑塊之間固定，實(shí)現(xiàn)滑塊X軸進(jìn)給帶動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。通過安裝在滑塊上的一個(gè)位置傳感器定位三工位對(duì)應(yīng)X軸方向位置，通過X軸桁架固定的限位傳感器對(duì)X軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限制。

Z軸實(shí)現(xiàn)上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，保證手臂強(qiáng)度和剛度，同時(shí)保證其在重力作用下的位置控制，使自身單元能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)流暢的高速運(yùn)動(dòng)并保證較高精度的定位。此方向的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用了帶抱軸功能的伺服電動(dòng)機(jī)。Z軸是通過滾珠螺母固定在X軸滑塊上，Z軸滾珠螺母并不進(jìn)行Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，也不轉(zhuǎn)動(dòng)，是滾珠絲杠相對(duì)固定的螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整體在Z軸方向的上下運(yùn)動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)的好處是可以保證Z軸的手臂強(qiáng)度和剛度，并且有足夠空間安裝氣動(dòng)機(jī)械夾爪。在傳感器設(shè)置方面，通過安裝在固定桁架結(jié)構(gòu)上的一個(gè)位置傳感器定位三工位對(duì)應(yīng)Z軸方向位置，通過桁架固定的限位傳感器對(duì)Z軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限制。

通過X軸與Z軸的電動(dòng)機(jī)控制就可以完成氣動(dòng)夾爪在豎直平面的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在此位置安裝氣動(dòng)機(jī)械夾爪，配合工件工位擺放臺(tái)的光電傳感器，通過氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，完成桁架機(jī)械手裝置的相關(guān)夾取動(dòng)作。

2 桁架機(jī)械手電動(dòng)機(jī)計(jì)算選型

已知工作臺(tái)與工作物的總質(zhì)量M，工作臺(tái)與工作物移動(dòng)時(shí)的最大速度為Vl，絲杠直徑為D，絲杠全長(zhǎng)為L(zhǎng)，絲杠導(dǎo)程為PB，螺桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率為η，滑動(dòng)面摩擦因數(shù)為μ，移動(dòng)量為l，總移動(dòng)時(shí)間為t0。

1）桁架機(jī)械手X軸電動(dòng)機(jī)擬采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其選型計(jì)算過程如下。先分析其運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)速度曲線圖，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)速度曲線圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間計(jì)算公式為

電動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)速度計(jì)算公式為

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

然后進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷慣量計(jì)算。

直線運(yùn)動(dòng)的負(fù)荷慣量計(jì)算公式為

滾珠絲杠的負(fù)荷慣量計(jì)算公式為

總的負(fù)荷慣量計(jì)算公式為

再進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

必需轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

式中：S為安全系數(shù)；JM為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，kg·m2。

通過如上計(jì)算過程，初步選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為步科Kinco2S56Q-02054，該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為JM=0.24×10-4kg·m2，最大轉(zhuǎn)矩為0.135 N·m。該電動(dòng)機(jī)滿足選型要求。

2）桁架機(jī)械手的Z軸擬采用伺服電動(dòng)機(jī)，其選型計(jì)算過程如下。首先計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量。

重物折算到伺服電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為

螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為

總負(fù)載慣量計(jì)算公式為

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

再計(jì)算伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩。

克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

螺桿加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

加速所需總轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

下面計(jì)算瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩。

加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

勻速轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

減速轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

實(shí)效轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

選擇伺服電動(dòng)機(jī)的要求為：額定伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T>Tf且T>Trms，且最大伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Tmax>Tf+TA。由以上2個(gè)條件選擇合信E10系列的CTSDM16-B2012-M100伺服電動(dòng)機(jī)。

傳動(dòng)系統(tǒng)的主要元器件及品牌型號(hào)如表1所示。

表1 傳動(dòng)系統(tǒng)的主要元器件列表

3 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

實(shí)際被抓取物的質(zhì)量較輕，所以機(jī)械手的抓取能力需求低，可將桁架機(jī)械手設(shè)計(jì)成由氣缸作用完成抓取和放開動(dòng)作的氣壓驅(qū)動(dòng)式的機(jī)械手，這就需要一套與之配套的完整的氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)桁架機(jī)械手的氣壓系統(tǒng)如圖3所示。

根據(jù)氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)為氣路各主要器件選型，結(jié)果如表2所示。

表2 氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)主要器件表

4 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)包括主控制器PLC及輸入輸出設(shè)備?？刂破鞑捎梦鏖T子品牌PLC，由電源、I/O口、存儲(chǔ)器及通信端口組成；輸入設(shè)備包括電感式、光電式、磁感應(yīng)傳感器和控制按鈕；輸出設(shè)備主要有電磁換向閥、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

該桁架機(jī)械手的PLC需要14個(gè)I點(diǎn)數(shù)，都為數(shù)字量點(diǎn)；8個(gè)O點(diǎn)數(shù)，包括4個(gè)數(shù)字量點(diǎn)，4個(gè)模擬量點(diǎn)，只需要一個(gè)小型PLC控制器即可。

所需PLC存儲(chǔ)器容量粗略估算為（18÷8×15+8×100）×125%≈1042 B。

選擇PLC的通信功能以電腦為主站、PLC為從站，搭配組成PLC檢測(cè)控制網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)辄c(diǎn)數(shù)需求少，選擇PLC的機(jī)型為整體式。選擇西門子S7-1200中的CPU 1214C DC/DC/DC的PLC為該桁架機(jī)械手的可編程邏輯控制器。

對(duì)PLC的I/O口進(jìn)行功能分配，如表3所示。

表3 PLC的I/O口分配表

對(duì)桁架機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行分析，可得機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑，如圖4所示。

圖4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑圖

打開開關(guān)，機(jī)械手在桁架上尋找零點(diǎn)，先右移尋找X軸零點(diǎn)，再上移尋找Z軸零點(diǎn)，接下來右移到X軸一號(hào)位，機(jī)械手再向下移動(dòng)到Z軸一號(hào)位，進(jìn)行物料抓取，抓取物料后向上移動(dòng)到Z軸二號(hào)位，再向右移動(dòng)至X軸二號(hào)位，然后向下移動(dòng)至Z軸三號(hào)位，機(jī)械手松開物料，同時(shí)物料二號(hào)位的氣動(dòng)機(jī)械手夾緊氣缸，最后機(jī)械手先向上移動(dòng)到Z軸零點(diǎn)位置，再在X軸向左移動(dòng)回到X軸零點(diǎn)位置。

由此可以設(shè)計(jì)出桁架機(jī)械手的控制流程，如圖5所示。

圖5 桁架機(jī)械手的控制流程圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的二軸式桁架機(jī)械手以PLC為控制核心，滾珠絲杠、電動(dòng)機(jī)、夾爪氣缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，編碼器、傳感器為反饋元件。通過PLC程序編譯，實(shí)現(xiàn)對(duì)輕小物料實(shí)施精準(zhǔn)的抓取和移動(dòng)。該桁架機(jī)械手可以與自動(dòng)生產(chǎn)線配合，完成以大批量生產(chǎn)為基礎(chǔ)的小型部件生產(chǎn)運(yùn)輸，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。數(shù)字化信息的交流可實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)情況，充實(shí)智能化生產(chǎn)線。

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要支柱，也是今后我國(guó)經(jīng)濟(jì)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級(jí)”的主戰(zhàn)場(chǎng)[5]。在兩化融合的今天，桁架機(jī)械手在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)廣泛采用，無(wú)論從生產(chǎn)質(zhì)量、運(yùn)輸速度、經(jīng)濟(jì)效益等各方面來衡量，都已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原來的生產(chǎn)模式。桁架機(jī)械手有較強(qiáng)的負(fù)載能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，適用于大體積和大質(zhì)量的貨物，還可以和輸送線、運(yùn)料小車等聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更為綜合的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)[6]。未來我國(guó)制造業(yè)在新業(yè)態(tài)、新氣象下的發(fā)展，將會(huì)使桁架機(jī)械手與智能化、自動(dòng)化的關(guān)系更加密切。