基于PLC的機械手設計

王建國+王江江+馮彬+江崔穎

摘 要：在本文中，所設計的控制系統是應用于機械手系統，保證機械手能夠有效完成兩條生產線之間的運輸任務。系統整體上選用電氣一體化的方法，通過氣缸自鎖功能能夠保證機械手在抓放或者斷氣狀態下保持機械手姿勢，通過電機控制技術完成機械手多自由度運動。機械手系統具有上電初始化、原點復位、報警提示、手動操作、半自動操作及全自動操作功能，滿足了企業的工作需求。

關鍵詞：搬運機械手；電氣一體化；定位控制

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A

0.引言

隨著制造業的快速發展，機械手成為當今時代的標志，有效改善勞動條件，保障人身安全。當前，機械手可以精確執行預先編寫的程序命令，實現預計動作，被廣泛應用于機床、模具鍛造或者點焊、噴漆工藝方面。本文基于完成生產線之間物品運輸設計的機械手系統，能夠完成手臂上下伸縮、手臂左右擺動以及手指抓握3個動作；采用集成傳輸模式，即手臂機構采用伺服電機驅動，手爪機構則采用氣壓傳動。

1.硬件結構設計

1.1 伺服電機選擇

電機選擇方面，本課題選用交流伺服電機，因為隨著電機調速方法的不斷研究，目前能夠將電機調速范圍與成本降低到寬調速直流電機。同時，交流伺服電機擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應用。而直流伺服電機內部存在電刷和換向器因素，導致電機工作可靠性降低，提高后期運行成本；交流異步電動機雖然沒有電刷磨損，結構簡單，成本較低，但應用時對其調速十分煩瑣，成本相對較高，不經濟適用。考慮到電機后期維護方便，本課題的升降電機與旋轉電機都選用交流伺服電機PanasonicMDMA152P1U型號，便于后期保養維修，采用的驅動器為MDDDT5540型號。

1.2 氣缸和閥門的選擇

本機械手驅動系統運動速度由氣流調節閥控制，運動方向由電磁閥控制。目前，氣體驅動系統憑借其價格低廉等優點在工業中得到廣泛應用。同時氣動夾持器由于氣體的可壓縮性，在捕獲過程中具有一定的靈活性，不會由于力度過大導致被抓取物破壞。根據指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個具有可調緩沖裝置的雙作用氣缸，并設有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個一位單通閥門，本設計為了能夠保證氣缸在斷氣狀態下保持氣缸內部的壓力，所以根據經驗選用SMC公司的VZ110氣開閥。

1.3 傳感器的選擇

傳感器的功能是將被測物的物理量轉變成由控制系統可以識別的電信號。實時檢測系統本身以及工作對象、工作環境的狀況，為控制系統提供有效精準的電信號。本課題研究的機械手，位置檢測裝置主要用來判斷機械手執行左旋/右旋，上升/下降等動作時是否到位，通常選擇行程開關，并將其安裝在預先設定的位置。本機械手選用直線接觸式行程開關，當行程開關檢測到機械手運動到預定位置時，立即終止當前動作，準備運行下一動作。

2.機械手動作的實現過程

機械手的工作均由伺服電機驅動螺紋絲桿旋轉和電機自轉來完成。本機械手的一個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—松開工件—手臂在上升—左旋8個動作，全部由對應的限位開關來控制，系統原始位置設置在原點，當按下開始命令時，機械手會立即有序的執行預訂相應動作。為確保人身安全，機械手安裝了一個光電開關，當機械手右旋到預定位置時，必須檢測到右工作臺上沒有工件時才能執行下降動作。另外，機械手能夠實現自鎖功能，在系統斷電斷氣情況下保持機械手姿勢。本文研究的機械手系統工作方式一共有手動操作，半自動操作，自動操作3種模式，當系統上電后機械手首先初始化，然后進行選擇相應的工作方式。

3.控制系統的設計

控制系統是機械手設計的重要組成部分，是保證機械手在工作過程中安全可靠的關鍵。實時控制著機械手的每一個作業動作，控制系統的穩定性以及可靠性的好壞直接決定了機械手工作過程的效率，起著不可低估作用。

3.1 PLC的選用

本文機械手的控制系統根據經驗選用“CPU226AC/24輸入/16輸出”型PLC，另外，由于系統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EM253位控模塊和一個EM22324VDC數字組合8輸入/8輸出的擴展模塊。本文設計的控制系統，控制面板上操作按鈕的輸入端應該接入PLC輸入口的I0.0-I1.5，系統的行程開關接入I1.6-I2.3，料架上的兩個光電傳感器應該接入I2.4、I2.5輸入口，伺服驅動器的報警端接入I2.6、I2.7接口，伺服電機定位完成后發出的信號接入I3.0、I3.1。其次，PLCQ0.0-Q0.6輸出端連接系統信號指示燈，Q0.7-Q1.4端連接外部信號，實時檢測機械手狀態，Q1.5-Q1.7端連接驅動器，為電機提供電源，Q2.0-Q2.3端連接定位模塊，主要控制電機的運轉，Q2.4-Q2.5端連接氣缸控制閥，調節氣缸的伸縮。

3.2 控制模塊設計

本文中，控制系統主要由PLC主控單元、I/O模塊和EM253位核心控制器構成，機械手的抓放動作由選用的氣缸驅動，其余動作由選用的伺服電機驅動，同時電機配有驅動器，由位控模塊接收脈沖輸入。結構上，系統配有極限行程開關，每個部件的極限運動由脈沖來限位。主控單元采用單獨封裝，設計為模塊式結構，安裝在相應的支架上，主要包括PLC模塊、觸摸終端、I/O模塊和兩個位控模塊，通過PLC專用電纜進行相互通信。位控模塊采用的是PLC特殊模塊EM253，因為可以運用其產生的脈沖串對電機速度何位置進行開環控制，產生的脈沖串存儲在S7-200相應的存儲區中，通過擴展的I/O總線與S7-200進行通信。

3.3 控制面板的設計

本文所設計的機械手根據實際應用所需設置以下控制按鈕。（1）工作模式選擇開關：當正常生產時將機械手調到自動模式，機械手會自動運行。當機械手出現故障或者出現報警時可以將機械手調到手動模式，機械手可通過點動調整。（2）電源開關：當機械手系統準備工作時，必須將電源撥至ON位置，給系統設施供電，其中觸摸終端由PLC進行供電。當機械手系統停止工作時，必須將電源撥至OFF位置，切斷一切設施供電，保證系統及人身安全。（3）急停按鈕：當機械手系統在運行過程中，出現突發情況例如搬運不夠穩定、下放物品不到位、超過了極限位置以及沒有抓取成功目標物等等發生時，迫使機械臂系統停止工作，此時僅需按下急停按鈕，則可立即使機械手停止工作，有效避免事故的發生和經濟損失。（4）機械手上升、下降、左旋、右旋、夾緊、松開按鈕：這些按鈕通常在調試或者排除系統故障時對機械手進行單步操作時使用，屬于手動操作。（5）復位按鈕：當需要將機械手系統自動恢復到初始位置的情況時，需要按此按鈕實現相應復位功能。（6）啟動按鈕：當機械手系統完成上電，工作模式等一系列前期準備工作之后，按下此按鈕系統就會自動完成預設搬運動作。（7）測試燈/報警按鈕：機械手系統安裝結束后，要對機械手的作業穩定性進行試驗。此時，試燈/報警清除按鈕對電路上所有的工作指示燈做檢測，保證正式運行時的安全。另外，當機械手系統出現報警時，我們對系統進行故障維修后，必須按此按鈕消除報警，使系統進行正常作業。

結語

本文對機械手驅動系統、控制系統方面進行認真細致地研究，能夠對生產線上有無工件進行精準判斷，降低了工作勞動強度，提高了企業生產效率，對自動化生產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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