PLC數(shù)控機床上料機械手控制系統(tǒng)設計

黃 鳴

(集美大學誠毅學院， 福建 廈門 361021)

PLC數(shù)控機床上料機械手控制系統(tǒng)設計

黃 鳴

(集美大學誠毅學院， 福建 廈門 361021)

設計了機械手控制系統(tǒng)的硬件及軟件系統(tǒng)，編制了機床的手動、自動控制程序。基于自動控制程序編寫了自動控制步進梯形圖。基于PID和模糊控制理論編寫了控制系統(tǒng)的初始化及自動報警程序。

機床； 機械手； 自動控制原理； 控制系統(tǒng)

0 引 言

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

1 系統(tǒng)組成及功能介紹

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

文中設計的自動控制機械手的結(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)氣缸分別實現(xiàn)卡爪對重物的抓取、機械手的升降、機械手的左右伸縮及機械手的旋轉(zhuǎn)；圖中調(diào)理組合和電磁閥組合分別實現(xiàn)機械手位置精度的調(diào)節(jié)及機械手的動力提供。

圖1 自動控制機械手

氣動功能原理[10]如圖2所示。

從圖2可以看出，機械手的運動感知主要依靠信號開關。運動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控制，機械手的升降由標準電磁控制。

圖2 氣動功能原理

2 基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)組成包括被控對象、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)及反饋系統(tǒng)。控制系統(tǒng)開始啟動之前，氣缸的初始位置應該通過控制面板提前設定好，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)行機構(gòu)執(zhí)行機械手的運動，最終通過反饋系統(tǒng)對執(zhí)行信號進行反饋[11]。

基于上述設計的控制系統(tǒng)繪制的模擬實驗面板如圖3所示。

圖3 模擬實驗面板

YV1～YV5及HL與其對應的下方的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分別與主機上的I0.1～I0.4相連接。

基于PLC的機床上料機械手的輸入/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，停止，上、下限，左、右限及機械手的運動控制情況。

表1 輸入/輸出系統(tǒng)的地址

基于PLC的機床上料機械手的控制系統(tǒng)的外部接線如圖4所示。

圖4 機械手控制系統(tǒng)外部接線

從圖4可以看出，機械手的下降行程開關與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；右移動作的控制路線接在Q0.3端；左移動作的控制路線接在Q0.4端。

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

2.2 控制系統(tǒng)程序設計

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。在進行PLC程序編寫之前，應首先繪制整體程序結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

由圖5可知，X012為手動方式控制開關，當輸入點X012接通時，手動程序開始執(zhí)行；X013為自動方式控制開關，當輸入點X013接通時，手動程序開始執(zhí)行。

圖5 總體程序結(jié)構(gòu)圖

手動操作如圖6所示。

圖6 手動程序設計

手動操作程序可以實現(xiàn)機械手的手臂升降、手臂伸縮、機構(gòu)左右旋轉(zhuǎn)、吸氣、放氣及復位的運動。自動操作控制程序如圖7所示。

圖7 自動控制程序

在“自動”工作方式下，本機械手的運動是以開關量作為轉(zhuǎn)移信號，按所設計的工藝流程一步一步地進行工作，其控制過程為順序循環(huán)控制。當機械手完成一次物料的吸放任務后，返回原位為下一個任務做好準備。

基于上述自動控制程序及手動控制程序可以編寫自動控制步進梯形圖，如圖8所示。

圖8 自動控制步進梯形圖

基于PLC的自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)機械手動作的自動控制，但是在操作過程中，機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理論設計了機械手自動控制系統(tǒng)的初始化及自動報警程序。此程序可以實現(xiàn)機械手的實時監(jiān)控及報警功能。初始化及自動報警程序如圖9所示。

圖9 初始化及自動報警程序

3 結(jié) 語

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

[1] 趙云偉,耿德旭,劉曉敏,等.氣動柔性五指機械手的運動學及抓持能力[J].機器人,2014(2):171-178.

[2] 王建軍.搬運機械手仿真設計和制作[J].機械設計與制造,2012(9):146-148.

[3] 邢天羿，劉春明， 張邦成，等. 微小型救援機械手的正、逆運動學仿真分析[J].長春工業(yè)大學學報,2015,36(1):34-37.

[4] 陳燕,鄒湘軍,徐東風,等.荔枝采摘機械手機構(gòu)設計及運動學仿真[J].機械設計,2010(5):31-34.

[5] 曹中一,王鶴,吳萬榮,等.噴漿機械手時間最優(yōu)與脈動最優(yōu)軌跡規(guī)劃[J].中南大學學報：自然科學版,2013(1):114-121.

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[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.

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[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.

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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

集美大學誠毅學院青年科研基金資助項目(CK17001)

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

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

TP 241

A

1674-1374(2017)05-0506-06