柔性生產線中五自由度工業搬運機械手控制系統研究

王偉

（岳陽職業技術學院機電工程系，湖南 岳陽 414000）

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柔性生產線中五自由度工業搬運機械手控制系統研究

王偉

（岳陽職業技術學院機電工程系，湖南 岳陽 414000）

柔性生產可使多臺不同功能的設備進行整合，而各設備間的工件傳遞需要智能的搬運設備形成整體，本文對一種基于PLC控制的五自由度搬運機械手進行硬件和軟件方面的設計。

柔性生產線；五自由度；機械手

1 引言

柔性生產線是指依靠計算機管理，將多種生產模式結合，配以自動運送裝置組成而的生產線。在具體的生產線實施中，可以通過多臺專用機床通過調整、聯結，形成柔性整體，從而達到減少生產成本的目的。

在柔性自動生產線中，各個加工設備、自動輸送帶設備之間都需要進行物料的傳送，傳統的二維機械手傳送就可以實現其要求，但有時在物料傳送時不是簡單的二維傳送，還需要改變物料的方向和位置，對于物料傳送位置和方向不固定的情況，二維機械手就無法進行操作了，資金雄厚的企業一般就選用機器人，通過編制不同的控制程序來實現。但機器人價格昂貴，中小型企業無法大規模應用，限制了推廣應用范圍。

對于柔性自動生產線物料自動輸送，更多的情況是物料傳送的位置和轉變的方向相對固定，這種情況下可以研發具有多維的多自由度機械手，能夠滿足采用物料抓取傳送，價格也相對便宜，結構也簡單的多，容易維護，適合大范圍的推廣使用。

2 機械手結構和控制過程

該搬運機械手由小臂、大臂、肩部組成，小臂依靠腕關節軸和肘關節軸實現小臂上下移動和腕關節轉動，小臂俯仰角度為-90°至30°，腕關節俯仰角度為0°至25°。大臂由連接件、絲桿螺母、電機、肩關節軸和連接件組成，俯仰角度為-90度至40°。腰部電機實現大臂整件水平旋轉，旋轉角度為-150度至150°，肩部復合連接件組成。手爪采用氣動兩端夾緊形式，法蘭盤旋轉角度為-135°至135°。如圖1所示。

圖1 氣動機械手結構

搬運機械手動作順序按照如下過程實現：

（1）按下啟動鍵，機械手進行初始位置檢測，如未停留在初始位置，檢測后進行初始化設置，機械手回到初始位置；

（2）初始位置檢測完成后，機械手旋轉至取件工位等待取件；

（3）檢測到工件后，手爪向前伸展，到限位位置后手爪下降，下降至工件上方進行定位，定位完畢后氣動手爪開啟，從左取件工位抓取工件，工件抓取完畢后，手爪停留1秒時間；

（4）1秒后，氣動手爪上升并回退至初始位置，停留0.5秒；

表1 氣動機械手控制系統I/O分配

（5）0.5秒后，機械手旋轉至放件工位，檢測到放件工位位置，且放件位置為空后，手爪向前伸展并下降，停穩后氣動手爪釋放，在工位釋放工件，釋放完畢后，停留1秒時間；

（6）1秒后，機械手回轉至初始位置，等待下一個工件，開始循環。

整個控制過程中，機械手的動作要求保持連貫，每個關節活動的過程中要采用精確感應的傳感限位開關，到達限位位置后，傳感器及時反饋信號輸出，從而保證機械臂不發生卡死和碰撞的情況，后續的電氣控制系統設計中也明確定義了各關節的極限位置。

3 電氣控制系統設計

3.1 PLC的I/O分配

本項目的PLC選型為德國西門子S7-200系列，具有24點輸入，16點輸出。根據上述對搬運機械手動作的要求進行I/O分配。如表1所示。

3.2 軟件設計

依據整個控制過程實施，可以采用梯形圖和步進指令來進行編程實現，依據多關節機械手控制的特點，采用步進指令進行編寫可以有條不紊，嚴格實現每一步動作。在啟動時，初始位置的設定可選為取件位置，也可選擇左右目標位置中點，依據步進電機和傳感器進行定位。

檢測到取件位置有工件后，可依據傳感器定位和各關節限位數據進行精確取件，取的過程中，定時器定時主要起穩定氣動手爪的作用，放件控制過程類同于取件控制過程。完成單周期動作后，要進行多次測試，最終達到循環無故障。步進程序按照定義好的I/O配置和運動過程來進行編寫，注意各關節處步進電機的位置精確控制。

4 結語

現代柔性生產線中，各模塊間靈活組合大幅度增強了生產線的可塑性，但模塊與模塊之間工件的輸送任務需要機械手來承擔。自由度較低的機械手可以進行簡單的搬運，但復雜的工位間進行輸送就需要更加靈活、更多自由度的機械手來完成。本設計中，利用五個步進電機形成五自由度控制機械手，設計簡單，維護方便，可以基本實現各個復雜工位間的物料輸送，在工業上有較大的實用性；同時，在學校教學中也可以作為典型的自動化控制系統案例來進行教學和實施，具有較大的推廣價值。

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