王建國(guó)+王江江+馮彬+江崔穎

摘 要：在本文中，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是應(yīng)用于機(jī)械手系統(tǒng)，保證機(jī)械手能夠有效完成兩條生產(chǎn)線之間的運(yùn)輸任務(wù)。系統(tǒng)整體上選用電氣一體化的方法，通過(guò)氣缸自鎖功能能夠保證機(jī)械手在抓放或者斷氣狀態(tài)下保持機(jī)械手姿勢(shì)，通過(guò)電機(jī)控制技術(shù)完成機(jī)械手多自由度運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手系統(tǒng)具有上電初始化、原點(diǎn)復(fù)位、報(bào)警提示、手動(dòng)操作、半自動(dòng)操作及全自動(dòng)操作功能，滿足了企業(yè)的工作需求。

關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)械手；電氣一體化；定位控制

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械手成為當(dāng)今時(shí)代的標(biāo)志，有效改善勞動(dòng)條件，保障人身安全。當(dāng)前，機(jī)械手可以精確執(zhí)行預(yù)先編寫的程序命令，實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)動(dòng)作，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、模具鍛造或者點(diǎn)焊、噴漆工藝方面。本文基于完成生產(chǎn)線之間物品運(yùn)輸設(shè)計(jì)的機(jī)械手系統(tǒng)，能夠完成手臂上下伸縮、手臂左右擺動(dòng)以及手指抓握3個(gè)動(dòng)作；采用集成傳輸模式，即手臂機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪機(jī)構(gòu)則采用氣壓傳動(dòng)。

1.硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 伺服電機(jī)選擇

電機(jī)選擇方面，本課題選用交流伺服電機(jī)，因?yàn)殡S著電機(jī)調(diào)速方法的不斷研究，目前能夠?qū)㈦姍C(jī)調(diào)速范圍與成本降低到寬調(diào)速直流電機(jī)。同時(shí)，交流伺服電機(jī)擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應(yīng)用。而直流伺服電機(jī)內(nèi)部存在電刷和換向器因素，導(dǎo)致電機(jī)工作可靠性降低，提高后期運(yùn)行成本；交流異步電動(dòng)機(jī)雖然沒(méi)有電刷磨損，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但應(yīng)用時(shí)對(duì)其調(diào)速十分煩瑣，成本相對(duì)較高，不經(jīng)濟(jì)適用?？紤]到電機(jī)后期維護(hù)方便，本課題的升降電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)都選用交流伺服電機(jī)PanasonicMDMA152P1U型號(hào)，便于后期保養(yǎng)維修，采用的驅(qū)動(dòng)器為MDDDT5540型號(hào)。

1.2 氣缸和閥門的選擇

本機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度由氣流調(diào)節(jié)閥控制，運(yùn)動(dòng)方向由電磁閥控制。目前，氣體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)憑借其價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)氣動(dòng)夾持器由于氣體的可壓縮性，在捕獲過(guò)程中具有一定的靈活性，不會(huì)由于力度過(guò)大導(dǎo)致被抓取物破壞。根據(jù)指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個(gè)具有可調(diào)緩沖裝置的雙作用氣缸，并設(shè)有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個(gè)一位單通閥門，本設(shè)計(jì)為了能夠保證氣缸在斷氣狀態(tài)下保持氣缸內(nèi)部的壓力，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用SMC公司的VZ110氣開(kāi)閥。

1.3 傳感器的選擇

傳感器的功能是將被測(cè)物的物理量轉(zhuǎn)變成由控制系統(tǒng)可以識(shí)別的電信號(hào)。實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)本身以及工作對(duì)象、工作環(huán)境的狀況，為控制系統(tǒng)提供有效精準(zhǔn)的電信號(hào)。本課題研究的機(jī)械手，位置檢測(cè)裝置主要用來(lái)判斷機(jī)械手執(zhí)行左旋/右旋，上升/下降等動(dòng)作時(shí)是否到位，通常選擇行程開(kāi)關(guān)，并將其安裝在預(yù)先設(shè)定的位置。本機(jī)械手選用直線接觸式行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，立即終止當(dāng)前動(dòng)作，準(zhǔn)備運(yùn)行下一動(dòng)作。

2.機(jī)械手動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

機(jī)械手的工作均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)和電機(jī)自轉(zhuǎn)來(lái)完成。本機(jī)械手的一個(gè)工作周期要完成手臂下降—工件加緊—手臂上升—右旋—手臂再下降—松開(kāi)工件—手臂在上升—左旋8個(gè)動(dòng)作，全部由對(duì)應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制，系統(tǒng)原始位置設(shè)置在原點(diǎn)，當(dāng)按下開(kāi)始命令時(shí)，機(jī)械手會(huì)立即有序的執(zhí)行預(yù)訂相應(yīng)動(dòng)作。為確保人身安全，機(jī)械手安裝了一個(gè)光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)械手右旋到預(yù)定位置時(shí)，必須檢測(cè)到右工作臺(tái)上沒(méi)有工件時(shí)才能執(zhí)行下降動(dòng)作。另外，機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖功能，在系統(tǒng)斷電斷氣情況下保持機(jī)械手姿勢(shì)。本文研究的機(jī)械手系統(tǒng)工作方式一共有手動(dòng)操作，半自動(dòng)操作，自動(dòng)操作3種模式，當(dāng)系統(tǒng)上電后機(jī)械手首先初始化，然后進(jìn)行選擇相應(yīng)的工作方式。

3.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是機(jī)械手設(shè)計(jì)的重要組成部分，是保證機(jī)械手在工作過(guò)程中安全可靠的關(guān)鍵。實(shí)時(shí)控制著機(jī)械手的每一個(gè)作業(yè)動(dòng)作，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性的好壞直接決定了機(jī)械手工作過(guò)程的效率，起著不可低估作用。

3.1 PLC的選用

本文機(jī)械手的控制系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用“CPU226AC/24輸入/16輸出”型PLC，另外，由于系統(tǒng)I/O端的分組情況及隔離與接地的需求，需要增加10%～20%的裕量，配置了兩個(gè)EM253位控模塊和一個(gè)EM22324VDC數(shù)字組合8輸入/8輸出的擴(kuò)展模塊。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，控制面板上操作按鈕的輸入端應(yīng)該接入PLC輸入口的I0.0-I1.5，系統(tǒng)的行程開(kāi)關(guān)接入I1.6-I2.3，料架上的兩個(gè)光電傳感器應(yīng)該接入I2.4、I2.5輸入口，伺服驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警端接入I2.6、I2.7接口，伺服電機(jī)定位完成后發(fā)出的信號(hào)接入I3.0、I3.1。其次，PLCQ0.0-Q0.6輸出端連接系統(tǒng)信號(hào)指示燈，Q0.7-Q1.4端連接外部信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械手狀態(tài)，Q1.5-Q1.7端連接驅(qū)動(dòng)器，為電機(jī)提供電源，Q2.0-Q2.3端連接定位模塊，主要控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，Q2.4-Q2.5端連接氣缸控制閥，調(diào)節(jié)氣缸的伸縮。

3.2 控制模塊設(shè)計(jì)

本文中，控制系統(tǒng)主要由PLC主控單元、I/O模塊和EM253位核心控制器構(gòu)成，機(jī)械手的抓放動(dòng)作由選用的氣缸驅(qū)動(dòng)，其余動(dòng)作由選用的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)配有驅(qū)動(dòng)器，由位控模塊接收脈沖輸入。結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)配有極限行程開(kāi)關(guān)，每個(gè)部件的極限運(yùn)動(dòng)由脈沖來(lái)限位。主控單元采用單獨(dú)封裝，設(shè)計(jì)為模塊式結(jié)構(gòu)，安裝在相應(yīng)的支架上，主要包括PLC模塊、觸摸終端、I/O模塊和兩個(gè)位控模塊，通過(guò)PLC專用電纜進(jìn)行相互通信。位控模塊采用的是PLC特殊模塊EM253，因?yàn)榭梢赃\(yùn)用其產(chǎn)生的脈沖串對(duì)電機(jī)速度何位置進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，產(chǎn)生的脈沖串存儲(chǔ)在S7-200相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中，通過(guò)擴(kuò)展的I/O總線與S7-200進(jìn)行通信。

3.3 控制面板的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手根據(jù)實(shí)際應(yīng)用所需設(shè)置以下控制按鈕。（1）工作模式選擇開(kāi)關(guān)：當(dāng)正常生產(chǎn)時(shí)將機(jī)械手調(diào)到自動(dòng)模式，機(jī)械手會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)機(jī)械手出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)報(bào)警時(shí)可以將機(jī)械手調(diào)到手動(dòng)模式，機(jī)械手可通過(guò)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整。（2）電源開(kāi)關(guān)：當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)準(zhǔn)備工作時(shí)，必須將電源撥至ON位置，給系統(tǒng)設(shè)施供電，其中觸摸終端由PLC進(jìn)行供電。當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)停止工作時(shí)，必須將電源撥至OFF位置，切斷一切設(shè)施供電，保證系統(tǒng)及人身安全。（3）急停按鈕：當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)突發(fā)情況例如搬運(yùn)不夠穩(wěn)定、下放物品不到位、超過(guò)了極限位置以及沒(méi)有抓取成功目標(biāo)物等等發(fā)生時(shí)，迫使機(jī)械臂系統(tǒng)停止工作，此時(shí)僅需按下急停按鈕，則可立即使機(jī)械手停止工作，有效避免事故的發(fā)生和經(jīng)濟(jì)損失。（4）機(jī)械手上升、下降、左旋、右旋、夾緊、松開(kāi)按鈕：這些按鈕通常在調(diào)試或者排除系統(tǒng)故障時(shí)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行單步操作時(shí)使用，屬于手動(dòng)操作。（5）復(fù)位按鈕：當(dāng)需要將機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到初始位置的情況時(shí)，需要按此按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)復(fù)位功能。（6）啟動(dòng)按鈕：當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)完成上電，工作模式等一系列前期準(zhǔn)備工作之后，按下此按鈕系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)完成預(yù)設(shè)搬運(yùn)動(dòng)作。（7）測(cè)試燈/報(bào)警按鈕：機(jī)械手系統(tǒng)安裝結(jié)束后，要對(duì)機(jī)械手的作業(yè)穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)。此時(shí)，試燈/報(bào)警清除按鈕對(duì)電路上所有的工作指示燈做檢測(cè)，保證正式運(yùn)行時(shí)的安全。另外，當(dāng)機(jī)械手系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障維修后，必須按此按鈕消除報(bào)警，使系統(tǒng)進(jìn)行正常作業(yè)。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)方面進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致地研究，能夠?qū)ιa(chǎn)線上有無(wú)工件進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，降低了工作勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線的柔性制造方面和工作效率方面起到了不可估量的作用。

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