黃 鳴

(集美大學(xué)誠毅學(xué)院， 福建 廈門 361021)

PLC數(shù)控機(jī)床上料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 鳴

(集美大學(xué)誠毅學(xué)院， 福建 廈門 361021)

設(shè)計(jì)了機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件及軟件系統(tǒng)，編制了機(jī)床的手動(dòng)、自動(dòng)控制程序?；谧詣?dòng)控制程序編寫了自動(dòng)控制步進(jìn)梯形圖?；赑ID和模糊控制理論編寫了控制系統(tǒng)的初始化及自動(dòng)報(bào)警程序。

機(jī)床； 機(jī)械手； 自動(dòng)控制原理； 控制系統(tǒng)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械手逐漸得到專家學(xué)者的青睞，并且在機(jī)械、航空航天及農(nóng)業(yè)等多行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。隨著機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外越來越多的專家開始對機(jī)械手展開研究。在國內(nèi)，趙云偉[1]研究了氣動(dòng)柔性五指機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)及抓持能力；王建軍[2]研究了搬運(yùn)機(jī)械手仿真設(shè)計(jì)和制作；邢天羿[3]研究了微小型救援機(jī)械手的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析；陳燕[4]針對荔枝采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真進(jìn)行了研究；曹中一[5]研究了噴漿機(jī)械手時(shí)間最優(yōu)與脈動(dòng)最優(yōu)軌跡規(guī)劃；林海波[6]等研究了基于ADAMS機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)分析。在國外，Azadivar F[7]研究了仿真優(yōu)化的方法優(yōu)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；Reynolds P[8]基于動(dòng)態(tài)有限元模型對停車機(jī)械手的研究。雖然國內(nèi)外專家學(xué)者對機(jī)械手的研究逐年增多，但是大都集中在機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面，對機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究還處在起步階段。文中基于PLC的機(jī)床上料裝夾機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),可以為今后的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)組成及功能介紹

基于PLC的機(jī)床上料機(jī)械手由行車卡爪、連接分度盤及機(jī)械手卡爪組成。其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用基于PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。基于PLC的機(jī)床上料機(jī)械手首要功能便是裝載，裝載過程如下：行車行進(jìn)過程中定位，行車卡爪下降，機(jī)械手卡爪抓住重物，行車機(jī)械手上升，送料到裝載臺[9]。文中行車機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)多自由度的裝載，轉(zhuǎn)向由液壓系統(tǒng)或者氣動(dòng)系統(tǒng)控制。

文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中的夾爪缸、升降缸、伸縮氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸分別實(shí)現(xiàn)卡爪對重物的抓取、機(jī)械手的升降、機(jī)械手的左右伸縮及機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)；圖中調(diào)理組合和電磁閥組合分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械手位置精度的調(diào)節(jié)及機(jī)械手的動(dòng)力提供。

圖1 自動(dòng)控制機(jī)械手

氣動(dòng)功能原理[10]如圖2所示。

從圖2可以看出，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)感知主要依靠信號開關(guān)。運(yùn)動(dòng)行程的左右極限由電感式傳感器控制，伸縮氣缸的前后極限由電磁開關(guān)控制，機(jī)械手的升降由標(biāo)準(zhǔn)電磁控制。

圖2 氣動(dòng)功能原理

2 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)組成包括被控對象、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及反饋系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)開始啟動(dòng)之前，氣缸的初始位置應(yīng)該通過控制面板提前設(shè)定好，并且氣缸的初始值信號獲取由S7-200執(zhí)行，然后將信號傳遞給控制系統(tǒng)，此后控制系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，最終通過反饋系統(tǒng)對執(zhí)行信號進(jìn)行反饋[11]。

基于上述設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)繪制的模擬實(shí)驗(yàn)面板如圖3所示。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)面板

YV1～YV5及HL與其對應(yīng)的下方的Q0.0～Q0.5相連接作為輸出端；

SB1和SB2分別接I0.0、I0.5作為輸入端；

SQ1～SQ4分別與主機(jī)上的I0.1～I(xiàn)0.4相連接。

基于PLC的機(jī)床上料機(jī)械手的輸入/輸出系統(tǒng)的地址分配情況見表1。

通過表1所示的地址分配可以知道啟動(dòng)，停止，上、下限，左、右限及機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制情況。

表1 輸入/輸出系統(tǒng)的地址

基于PLC的機(jī)床上料機(jī)械手的控制系統(tǒng)的外部接線如圖4所示。

圖4 機(jī)械手控制系統(tǒng)外部接線

從圖4可以看出，機(jī)械手的下降行程開關(guān)與Q0.0串聯(lián)；夾緊的控制線路接在Q0.1端；上升的控制線路接在Q0.2端；右移動(dòng)作的控制路線接在Q0.3端；左移動(dòng)作的控制路線接在Q0.4端。

機(jī)械手的動(dòng)作過程可以描述如下：機(jī)械手處在準(zhǔn)備開始動(dòng)作時(shí)，上、下限位開關(guān)在接通狀態(tài)，位移寄存器準(zhǔn)備動(dòng)作，使得寄存器處在接通狀態(tài)，此時(shí)，Q0.5指示燈亮。啟動(dòng)開始由SB1開關(guān)控制，按下SB1開關(guān)，上、下限位開關(guān)分別開始動(dòng)作，當(dāng)行車機(jī)械手下降時(shí)，下限位開關(guān)啟動(dòng)，并控制下移的距離[12]；下移達(dá)到預(yù)定距離時(shí)，左、右行程極限開關(guān)準(zhǔn)備動(dòng)作，準(zhǔn)備抓取重物時(shí)，左開關(guān)動(dòng)作，控制前伸距離，當(dāng)抓取動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，夾緊開關(guān)開始動(dòng)作；抓取結(jié)束后，采取反動(dòng)作將重物裝載；裝載過程如下：按下SB1開關(guān)，上限位開關(guān)開始動(dòng)作，并控制機(jī)械手向上移動(dòng)的距離[13]；上移達(dá)到預(yù)定距離時(shí)，右行程極限開關(guān)準(zhǔn)備動(dòng)作，準(zhǔn)備裝載重物，裝載完成后，右限位開關(guān)控制機(jī)械手往右縮進(jìn)，完成動(dòng)作，斷開SB1開關(guān)。其他開關(guān)功能在此不再一一詳述。

2.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

基于PLC的控制系統(tǒng)除了硬件系統(tǒng)外，還包括由程序組成的軟件部分。在進(jìn)行PLC程序編寫之前，應(yīng)首先繪制整體程序結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

由圖5可知，X012為手動(dòng)方式控制開關(guān)，當(dāng)輸入點(diǎn)X012接通時(shí)，手動(dòng)程序開始執(zhí)行；X013為自動(dòng)方式控制開關(guān)，當(dāng)輸入點(diǎn)X013接通時(shí)，手動(dòng)程序開始執(zhí)行。

圖5 總體程序結(jié)構(gòu)圖

手動(dòng)操作如圖6所示。

圖6 手動(dòng)程序設(shè)計(jì)

手動(dòng)操作程序可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的手臂升降、手臂伸縮、機(jī)構(gòu)左右旋轉(zhuǎn)、吸氣、放氣及復(fù)位的運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)操作控制程序如圖7所示。

圖7 自動(dòng)控制程序

在“自動(dòng)”工作方式下，本機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是以開關(guān)量作為轉(zhuǎn)移信號，按所設(shè)計(jì)的工藝流程一步一步地進(jìn)行工作，其控制過程為順序循環(huán)控制。當(dāng)機(jī)械手完成一次物料的吸放任務(wù)后，返回原位為下一個(gè)任務(wù)做好準(zhǔn)備。

基于上述自動(dòng)控制程序及手動(dòng)控制程序可以編寫自動(dòng)控制步進(jìn)梯形圖，如圖8所示。

圖8 自動(dòng)控制步進(jìn)梯形圖

基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手動(dòng)作的自動(dòng)控制，但是在操作過程中，機(jī)械手的故障在所難免，鑒于此原因，文中基于模糊控制理論及PID理論設(shè)計(jì)了機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)的初始化及自動(dòng)報(bào)警程序。此程序可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警功能。初始化及自動(dòng)報(bào)警程序如圖9所示。

圖9 初始化及自動(dòng)報(bào)警程序

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)的基于PLC的機(jī)床上料裝夾機(jī)械手的控制系統(tǒng)屬于PLC-傳感反饋系統(tǒng)-氣動(dòng)增壓系統(tǒng)組成的典型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。首先，設(shè)計(jì)了機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)，并且編制了機(jī)床的手動(dòng)、自動(dòng)控制程序；其次，基于自動(dòng)控制程序編寫了自動(dòng)控制步進(jìn)梯形圖；最后，基于PID和模糊控制理論編寫了控制系統(tǒng)的初始化及自動(dòng)報(bào)警程序。文中所設(shè)計(jì)的機(jī)械手彌補(bǔ)了電感線圈功率小的缺陷，利用PLC功率大的特點(diǎn)，集優(yōu)勢于一身，必將推動(dòng)基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)等方面的發(fā)展。

[1] 趙云偉,耿德旭,劉曉敏,等.氣動(dòng)柔性五指機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)及抓持能力[J].機(jī)器人,2014(2):171-178.

[2] 王建軍.搬運(yùn)機(jī)械手仿真設(shè)計(jì)和制作[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(9):146-148.

[3] 邢天羿，劉春明， 張邦成，等. 微小型救援機(jī)械手的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(1):34-37.

[4] 陳燕,鄒湘軍,徐東風(fēng),等.荔枝采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010(5):31-34.

[5] 曹中一,王鶴,吳萬榮,等.噴漿機(jī)械手時(shí)間最優(yōu)與脈動(dòng)最優(yōu)軌跡規(guī)劃[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2013(1):114-121.

[6] 林海波,王延兵,張毅.基于ADAMS機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,22:80-83.

[7] Azadivar F. A simulation optimization approach to optimum storage and retrieval policies in an automated warehousing system [J]. Proceeding of the WSC’84 Winter Simulation Conference,1984,16:207-214.

[8] Reynolds P. Dynamic FE modelling of a multi-storey car park verified by modal testing [J]. Proceedings of the International Modal Analysis Conference,1999(2):7-13.

[9] Li Tzuu-Hseng S. Design of a dynamic fuzzy controller IC with application to garage parking control [J]. IEEE International Conference on Fuzzy Systems,2000(2):239-244.

[10] Goetz Robert E. Duquesne university parking garage management and design modifications [J]. Institute of Transportation Engineers Annual Meeting and Exhibit,2007(2):1213-1228.

[11] 李海鵬,邢登鵬,張正濤,等.宏微結(jié)合的多機(jī)械手微裝配機(jī)器人系統(tǒng)[J].機(jī)器人,2015(1):35-42.

[12] 趙美寧,王佳.自動(dòng)供料機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2007(9):57-60.

[13] 陳祝權(quán),梁曉合,林粵科,等.六自由度串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓,2013,23:97-101.

DesignofcontrolsystemofvehicleloadingmanipulatorbasedonPLC

HUANG Ming

(Chengyi College, Jimei University, Xiamen 361021， China)

Both the software and hardware of a traffic loading manipulator is designed based on PLC, including manual and automatic control program. The automatic control ladder diagram is programmed. Based on PID and fuzzy control, initial and alarm program is also worked out.

machine tool; manipulator; principle of automatic control; control system.

2017-07-20

集美大學(xué)誠毅學(xué)院青年科研基金資助項(xiàng)目(CK17001)

黃 鳴(1981-)，男，漢族，臺灣淡水人，集美大學(xué)誠毅學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué)以及工程圖學(xué)方向研究,E-mail:huangming0099@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.5.18

TP 241

A

1674-1374(2017)05-0506-06