氣動(dòng)式裝箱機(jī)械手控制系統(tǒng)研究

邱子浩　谷文涌

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司山東泰安2.華北水利水電大學(xué)河南鄭州）

氣動(dòng)式裝箱機(jī)械手控制系統(tǒng)研究

邱子浩1,2谷文涌1

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司山東泰安2.華北水利水電大學(xué)河南鄭州）

本文介紹了氣動(dòng)式裝箱機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，在裝箱機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中堅(jiān)持在保證功能的前提下盡量降低成本的設(shè)計(jì)理念，完成裝箱機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)氣動(dòng)式裝箱機(jī)械手的功能，設(shè)計(jì)了基于PLC的控制系統(tǒng)，對(duì)其軟硬件進(jìn)行了選型與電路設(shè)計(jì)，完成了其電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

裝箱機(jī)械手；PLC；電氣控制系統(tǒng)

前言

氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手其中的一大類，其特點(diǎn)為：動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、平穩(wěn)、節(jié)能、可靠和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，所以被越來越多行業(yè)所接受[1]。本文根據(jù)一次性餐具自動(dòng)裝箱的需要，設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制的氣動(dòng)裝箱機(jī)械手，完成對(duì)一次性消毒餐具抓取裝箱路線的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)裝箱機(jī)在實(shí)際工作環(huán)境中高效率的運(yùn)行。

1　氣動(dòng)式裝箱機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)

裝箱機(jī)械手由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1所示。

圖1　裝箱機(jī)械手組成

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要抓取傳送帶上方的物體，通過機(jī)械手的運(yùn)送放置在箱子內(nèi)，所以要求機(jī)械手具有橫入橫出、可以升降及伸縮運(yùn)動(dòng)，所以采用直角三坐標(biāo)式，即橫向自由度（橫入和橫出）、升降自由度（上升和下降）和伸縮自由度（伸出和縮回）。

根據(jù)三坐標(biāo)裝箱機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析機(jī)械手動(dòng)作過程，設(shè)計(jì)碼放方式如圖2所示；每個(gè)箱子可裝12套餐具，分三層放置，每層放4套；先從最底層碼放，依次放置到第三層。因此縱向氣缸和橫向氣缸要求設(shè)計(jì)在中間位置停止；所以設(shè)計(jì)使用三位五通電磁換向閥與安裝磁環(huán)的雙作用氣缸配合使用，利用磁性開關(guān)反饋氣缸內(nèi)活塞的位置，可以完成氣缸在中間位置的停止。

圖2　裝箱碼放布局

氣動(dòng)裝箱機(jī)械手組成如圖3所示，其中包括縱向氣缸、縱向?qū)к墶⑺綄?dǎo)軌、橫向?qū)к墶M向氣缸、機(jī)械手連接機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、同步電機(jī)等。不同方向的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)元件的配合使用可以完成橫向或縱向的直線運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)功能。

圖3　全自動(dòng)餐具清洗氣動(dòng)三坐標(biāo)裝箱機(jī)三維建模圖

2　控制系統(tǒng)組成與功能

裝箱機(jī)械手動(dòng)作緊湊，能夠在不間斷的情況下連續(xù)工作，要求機(jī)械手動(dòng)作效率高，各個(gè)模塊在保證安全的情況下提高動(dòng)作效率。根據(jù)機(jī)械手實(shí)際操作規(guī)劃，設(shè)計(jì)動(dòng)作機(jī)械手動(dòng)作規(guī)劃如圖4所示。機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)架如圖5所示；為了使機(jī)械手各部分能分別完成不同的動(dòng)作，需要有多種執(zhí)行元件聯(lián)合完成；其中主要利用主控制器作為整個(gè)裝箱機(jī)械手的控制核心，利用觸摸屏設(shè)備完成人機(jī)指令交流，利用電磁換向閥控制氣缸運(yùn)動(dòng)，同步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速用調(diào)速器控制，檢測(cè)傳送帶上方物體需要光電傳感器來實(shí)現(xiàn)[2～3]。如上述所知，裝箱機(jī)械手控制系統(tǒng)需要由幾部分組成：控制器、觸摸屏、執(zhí)行元件以及傳感器組成。

圖4　氣動(dòng)式裝箱機(jī)械手動(dòng)作規(guī)劃圖

3　裝箱機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

裝箱機(jī)由于其組成和功能決定了控制柜內(nèi)的布局及各控制元件的安裝位置，確定I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)根據(jù)圖6所示總體方案進(jìn)行選定。

圖5　氣動(dòng)式裝箱機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)架

圖6　PLC及外圍電路

控制柜內(nèi)硬件型號(hào)如表1所示，三位五通電磁閥使用三個(gè)，兩位五通電磁閥使用一個(gè)，則電磁轉(zhuǎn)換接頭使用七個(gè)。由于裝箱機(jī)在工作時(shí)電磁閥需要頻繁開啟和斷開，瞬時(shí)電壓較高，為保護(hù)PLC輸出口不受瞬時(shí)高電壓沖擊，在電磁換向閥與PLC輸出口回路中使用中間繼電器進(jìn)行調(diào)節(jié)保護(hù)。

表1　控制系統(tǒng)硬件型號(hào)

如表2所示，PLCI/O口使用情況如下，本著基本電路連接方法、低成本的原則I/O口分配盡量緊湊、節(jié)省空間，還可以后續(xù)添加控制功能、細(xì)化控制分配。

表2　PLCI/O分配表

4　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

如圖7所示，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，各氣缸首先回歸原點(diǎn)（即移動(dòng)至抓取物上方）、抓手打開，待磁性開關(guān)檢測(cè)到氣缸回歸原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)便等待傳送帶上餐具；傳送帶處傳感器檢測(cè)到餐具時(shí)，抓手下降，至最低處抓手抓取；此時(shí)計(jì)數(shù)器加1，判斷計(jì)數(shù)器數(shù)值是否臆12（設(shè)計(jì)裝箱個(gè)數(shù)為12個(gè)裝一箱）；若是，程序根據(jù)計(jì)數(shù)器數(shù)值判斷碼放位置；若否，計(jì)數(shù)器清零加1判斷碼放位置；判斷位置后機(jī)械手上升，然后橫向移動(dòng)至箱體上方，下降至不同位置，松開、上升、回歸原點(diǎn)，繼續(xù)等待下一套餐具。

圖7　控制程序流程圖

根據(jù)機(jī)械手設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)方案，機(jī)械手各氣缸動(dòng)作為：下降、抓取、上升、伸出、下降、放松、上升、縮回、下一循環(huán)。機(jī)械手各氣缸安裝的磁性開關(guān)是機(jī)械手位置控制的重要環(huán)節(jié)，機(jī)械手的行程及碼放位置都依靠磁性開關(guān)的安裝位置，要確保磁性開關(guān)有充分的調(diào)節(jié)空間，便于機(jī)械手在不同尺寸箱體的碼放。同時(shí)，為了保證機(jī)械手執(zhí)行動(dòng)作時(shí)不造成機(jī)械干涉、碰撞等因素，在動(dòng)作執(zhí)行的過程中只允許一個(gè)氣缸動(dòng)作。

為了控制機(jī)械手的啟停，需要分別設(shè)置開始、停止按鈕，但是為了節(jié)約PLC的I/O點(diǎn)數(shù)量，盡量減少不必要的浪費(fèi)，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將開始和停止合并為一個(gè)輸入口，并在PLC程序中加以區(qū)分（即第一次按下開始動(dòng)作，動(dòng)作開始后按下按鈕動(dòng)作停止）便可以節(jié)省輸入口的個(gè)數(shù)。為方便調(diào)試需要在觸摸屏設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)動(dòng)按鈕，在連續(xù)運(yùn)動(dòng)關(guān)閉時(shí)執(zhí)行單氣缸點(diǎn)動(dòng)，對(duì)機(jī)械手的各個(gè)自由度進(jìn)行手動(dòng)控制；啟動(dòng)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)按下開始按鈕時(shí)，氣動(dòng)機(jī)械手自動(dòng)執(zhí)行裝箱工作。上文所述將啟動(dòng)按鈕和停止按鈕合并為一個(gè)輸入口，應(yīng)當(dāng)區(qū)分正常停止還是急停，并作了如下設(shè)計(jì)：在連續(xù)模式下按停止按鈕設(shè)定為正常工作停止；在非連續(xù)模式下按停止按鈕設(shè)定為故障急停。上述兩種情況的區(qū)別在于：連續(xù)運(yùn)行中停止時(shí)，機(jī)械手要完成本次裝箱動(dòng)作回歸原點(diǎn)時(shí)停止；非連續(xù)運(yùn)行中停止時(shí)，機(jī)械手運(yùn)行會(huì)立即停止，可以保證調(diào)試過程安全進(jìn)行。當(dāng)再次按下開始按鈕時(shí)，如在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)械手會(huì)記憶此前連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，如在非連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下則立即停止氣缸運(yùn)動(dòng)，再次啟動(dòng)的時(shí)候不會(huì)繼續(xù)工作。

開始停止按鈕輸入信號(hào)需要處理使用，由于該輸入信號(hào)為手動(dòng)開關(guān)，每個(gè)操作者的操作習(xí)慣不同，按按鈕的持續(xù)時(shí)間不同，或長(zhǎng)或短，這樣就會(huì)使相應(yīng)按鈕輸入是產(chǎn)生各種不同的情況，這種不確定因素對(duì)整個(gè)系統(tǒng)程序是非常不利的，所以要使用微分指令調(diào)整按鈕的動(dòng)作信號(hào)；可以將所有的手動(dòng)按鈕都進(jìn)行上升沿處理，不但可以保證按鈕響應(yīng)的準(zhǔn)確性，還可以使程序變得簡(jiǎn)潔明了，可讀性高。

機(jī)械手在正常工作時(shí)都要處于初始位置（即原點(diǎn)：升降氣缸上限位，伸縮氣缸伸出限位，抓手張開），在連續(xù)模式下按下開始按鈕首先系統(tǒng)檢查各氣缸位置，如果不在原點(diǎn)位置各氣缸移動(dòng)至初始位置；如果已在初始位置系統(tǒng)將進(jìn)行下一步動(dòng)作。

另外，在程序編寫的過程中，要保證PLC內(nèi)部輔助繼電器的互鎖，如氣缸上升和下降互鎖，伸出和收縮互鎖，抓手夾緊和放松互鎖，這樣不僅保證了PLC程序上的邏輯性，而且還保護(hù)了機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)損壞。

裝箱機(jī)控制程序中主要的就是對(duì)裝箱位置的控制，由于整個(gè)氣路系統(tǒng)中存在少量漏氣現(xiàn)象及重力作用，縱向氣缸不能長(zhǎng)時(shí)間停留在中間位置，否則氣缸會(huì)向下滑，會(huì)造成位置不準(zhǔn)確。因此設(shè)置抓取時(shí)間盡量短，避免造成定位不準(zhǔn)確帶來的效率問題。機(jī)械手檢測(cè)到傳送帶物體以后開始下降至傳送帶上方，抓取0.3s后上升，保證抓手可以穩(wěn)定的抓取物體。PLC程序中大量的使用了起保停電路，簡(jiǎn)單易懂，可讀性好，容易修改。

一個(gè)箱子里需要裝12個(gè)裝箱物，機(jī)械手需要分別在12個(gè)不同位置進(jìn)行放置。因此在PLC編程時(shí)，利用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)碼放個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)機(jī)械手抓取時(shí)，計(jì)數(shù)器從數(shù)字1開始計(jì)數(shù)，每抓取一個(gè)物體時(shí)計(jì)數(shù)器內(nèi)部數(shù)字加1；當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)部計(jì)數(shù)值為12時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，開始下一循環(huán)。再利用數(shù)值比較器比較計(jì)數(shù)器的數(shù)字，例：如果編號(hào)為1的數(shù)值比較器的比較值為1，跟計(jì)數(shù)器內(nèi)部數(shù)字比較結(jié)果，當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)部數(shù)字為1時(shí)，1號(hào)數(shù)值比較器接通變?yōu)橥罚诒容^器后串聯(lián)使用一個(gè)中間繼電器線圈；如果中間繼電器線圈得電，則說明對(duì)應(yīng)的機(jī)械手正在碼放不同的位置，在PLC程序中設(shè)計(jì)使用伸縮或者升降位置相同的中間繼電器常開觸點(diǎn)并聯(lián)，然后串聯(lián)伸縮或者升降位置相同的磁性開關(guān)，最后并聯(lián)得到橫向停止位置。

升降氣缸不同的停止位置也是用不同的中間繼電器常開觸點(diǎn)并聯(lián)，然后串聯(lián)伸縮或者升降位置相同的磁性開關(guān)，最后并聯(lián)得到橫向停止位置。應(yīng)該注意的是，在不同位置對(duì)應(yīng)的中間繼電器得電時(shí)，比如碼放物體的一號(hào)位置和二號(hào)位置之間，總有一個(gè)中間繼電器是得電的，如果一號(hào)位置得電，那么二號(hào)位置失電；一號(hào)位置失電的同時(shí)二號(hào)位置得電，中間不存在同時(shí)得電或者同時(shí)失電的情況，所以可以保證軟件程序的準(zhǔn)確性，從而可以保證在軟件設(shè)計(jì)上的是穩(wěn)定的可靠的。

本文通過PLC編程實(shí)現(xiàn)對(duì)一次性餐具氣動(dòng)裝箱機(jī)械手的自動(dòng)化控制，提高了一次性餐具的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，其應(yīng)用具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]John D.Baker，George E.Klinzing Optimal Performance of Penematic Transport Systems[M].Powder Technology，1999：240～247.

[2]孫迎遠(yuǎn).PLC在氣動(dòng)機(jī)械手中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2008（9）：151～152.

[3]滕敏君，李偉光，等.基于PLC和觸摸屏的高速郵包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)信息化，2008（6）：92-93.

TP241

A

1673-0038（2015）49-0209-03

2015-11-1

邱子浩，山東臨沂人，在職研究生，高級(jí)運(yùn)維專責(zé)。