張勁

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州225009)

0 引言

工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按照設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運(yùn)物件，從事焊接、噴漆、裝配等工藝操作的機(jī)電一體化裝置。近年來，機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用，它可替代人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、航空航天等部門。工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)是通過控制電磁換向閥、氣缸等來實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作的，可以采用單片機(jī)控制，也可以采用PLC控制。若采用單片機(jī)控制，由于電磁閥的工作電壓高于單片機(jī)，所需驅(qū)動(dòng)電流較大，須設(shè)計(jì)功率接口電路，還要進(jìn)行抗干擾和可靠性設(shè)計(jì)。采用PLC控制，則無需考慮上述問題，PLC以其高可靠性、高柔性、豐富的I/O接口等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線上。圖1為工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖［1-2］。

圖1 工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

本文重點(diǎn)闡述了氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手搬運(yùn)物件的PLC控制系統(tǒng)的控制方案及其軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，該控制系統(tǒng)造價(jià)低廉、線路簡(jiǎn)單、通用性好，具有一定的代表性。

1 自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制要求

1.1 機(jī)械手控制要求

如圖2所示，機(jī)械手控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)從左高位為起點(diǎn)的一個(gè)循環(huán)過程。機(jī)械手在左高位啟動(dòng)首先下降，當(dāng)手下降到工件位置時(shí)停止下降并夾緊工件，接著機(jī)械手夾著工件開始上升，上升到指定高度后，開始右移到指定位置時(shí)開始下降，到可以放工件的位置時(shí)放下工件，然后機(jī)械手開始上升，到指定高度后再左移到起點(diǎn)位置，完成一次工作循環(huán)。

圖2 機(jī)械手自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)示意圖

1.2 機(jī)械手工作原理

圖3 為機(jī)械手的氣動(dòng)原理圖。其工作原理為:開始時(shí)機(jī)械手停在原位，此時(shí)電磁鐵5YA通電，機(jī)械手松開，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，電磁鐵2YA通電，氣缸5的活塞帶動(dòng)機(jī)械手下降，下降到位時(shí)，壓下限位開關(guān)，2YA斷電，氣缸使機(jī)械手停止下降；同時(shí)使5YA斷電，氣缸17的活塞帶動(dòng)機(jī)械手夾緊工件。夾緊后電磁鐵1YA通電，氣缸5的活塞帶動(dòng)機(jī)械手上升。上升到位時(shí)壓下限位開關(guān)，使1YA斷電，上升停止。同時(shí)使電磁鐵3YA通電，氣缸11的活塞帶動(dòng)機(jī)械手右移。右移到位時(shí)壓下限位開關(guān)，使3YA斷電，機(jī)械手右移停止。若此時(shí)工作臺(tái)上沒有工件，則光電開關(guān)接通，使電磁鐵2YA通電，氣缸5的活塞帶動(dòng)機(jī)械手下降。下降到位時(shí)壓下限位開關(guān)，使2YA斷電，機(jī)械手停止下降。同時(shí)5YA通電，氣缸17的活塞帶動(dòng)機(jī)械手松開。放松后1YA通電，氣缸5的活塞帶動(dòng)機(jī)械手上升，上升到位時(shí)壓下限位開關(guān)，使1YA斷電，機(jī)械手停止上升，同時(shí)使電磁鐵4YA通電，氣缸11的活塞帶動(dòng)機(jī)械手左移。移動(dòng)至原點(diǎn)時(shí)壓下限位開關(guān)，使4YA斷電，機(jī)械手左移停止，一個(gè)周期的工作循環(huán)到此結(jié)束。單向節(jié)流閥4，6，10，12，16，18用來提高氣缸動(dòng)作時(shí)的速度穩(wěn)定性。液控單向閥3和7用來防止在機(jī)械手停止時(shí)上下漂移［4-5］。

圖3 機(jī)械手氣動(dòng)原理圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 輸入/輸出點(diǎn)數(shù)分配

根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作控制要求和控制信號(hào)數(shù)量，畫出機(jī)械手PLC控制流程圖(圖4)，并確定PLC輸入/輸出點(diǎn)數(shù)(表1)。本系統(tǒng)選用FX2N-48MR型PLC。FX2N系列PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、控制程序可變、編程簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，為多數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)所采用［3］。

圖4 PLC控制流程圖

表1 PLC輸入/輸出分配表

2.2 硬件設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)與機(jī)械手本體的連接主要是針對(duì)PLC的輸入和輸出設(shè)備而言的。連接時(shí)參照PLC控制系統(tǒng)的外部I/O連接圖和主電路圖進(jìn)行。系統(tǒng)中機(jī)械手的控制面板采用觸摸屏結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約大量的I/O連接時(shí)間。除限位開關(guān)具有實(shí)體需要連接外，其他控制開關(guān)均無需連接實(shí)體。PLC的輸出端子只接通各個(gè)氣缸的換向電磁閥即可。其他指示燈均可在觸摸屏中顯示。工作時(shí)只要能夠滿足PLC處于通電狀態(tài)，控制程序也已經(jīng)下載到PLC中，通過觸摸屏就可以完成所有工作過程。由此可以看出觸摸屏式控制界面比機(jī)械式控制面板具有很大的優(yōu)勢(shì)。PLC與觸摸屏的通訊極為簡(jiǎn)單，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的電纜RS-232連接，在PLC和觸摸屏的實(shí)體上都有這些標(biāo)準(zhǔn)電纜的連接接口。圖5為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖［6-7］。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的流程圖可以得到PLC控制系統(tǒng)梯形圖。由于本機(jī)械手控制系統(tǒng)動(dòng)作順序性強(qiáng)，每一步的動(dòng)作均在前一步動(dòng)作完成之后進(jìn)行，故也可采用FX2N系列PLC的順序控制指令畫出順序功能圖(SFC)，再轉(zhuǎn)化成梯形圖，本文不再贅述。

3 結(jié)語

工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和制造涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、電氣控制、液壓和氣壓傳動(dòng)等方面的專業(yè)知識(shí)，是多種學(xué)科交叉融合的典型機(jī)電一體化裝置。而機(jī)電液(氣)一體化是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)，是機(jī)電類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門綜合性知識(shí)。若將其制作成教學(xué)模型，對(duì)學(xué)生機(jī)、電、液(氣)等各門知識(shí)的深化和綜合運(yùn)用，都有著非常重要的意義。

［1］左健民.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［3］初航.零基礎(chǔ)學(xué)三菱FX系列PLC［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］王善剛，許海斌.PLC在機(jī)械手中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，9(3):45-48.

［5］王小玲.工業(yè)機(jī)械手的PLC控制［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2004，33(9):32-36.

［6］張群生.機(jī)械手的 PLC控制系統(tǒng)［J］.裝備制造技術(shù)，2007，(6):109-113.

［7］胡云堂，江卓達(dá).多自由度柔性生產(chǎn)線送料機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2011，(6):45-47.