基于PLC的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張君艷

0 引言

機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，由于它可代替人在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中進(jìn)行正常的工作，所以廣泛應(yīng)用在化工、機(jī)械制造、電子生產(chǎn)、冶金以及輕工業(yè)等部門[1]。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，無論是單機(jī)還是組合機(jī)床，以及自動(dòng)生產(chǎn)流水線，都要用到機(jī)械手來完成工件的取放，對(duì)機(jī)械手的控制主要是位置識(shí)別、運(yùn)動(dòng)方向控制和物料是否存在的判別。然而搬運(yùn)機(jī)械手的種類很多，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。由于氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手無環(huán)境污染，其開發(fā)和設(shè)計(jì)越來越被人們所關(guān)注，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手最核心的部分是執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用電氣動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)通過三菱PLC編程來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，這里介紹基于三菱PLC的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理

圖1 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由機(jī)械手指、機(jī)械手臂、懸臂，旋轉(zhuǎn)氣缸等部分組成。機(jī)械手的終端是一個(gè)氣動(dòng)手指，其夾緊和放松由一個(gè)兩位五通雙控電磁換向閥來驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，工件的夾緊與否是通過壓力傳感器來進(jìn)行判斷。氣動(dòng)手指安裝在機(jī)械手臂上，機(jī)械手臂為單個(gè)活塞桿的雙作用直線氣缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的上升和下降，手臂由兩位五通的雙控電磁換向閥來驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，上升和下降的極限位置分別由安裝在氣缸上的磁感應(yīng)傳感器來檢測；機(jī)械手臂由連接件安裝在機(jī)械懸臂上，懸臂是雙活塞桿的雙作用直線氣缸，其通過兩位五通的雙控電磁換向閥來驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，懸臂的伸出和回縮極限位分別由嵌在氣缸卡槽內(nèi)的磁感應(yīng)傳感器來檢測；懸臂安裝在旋轉(zhuǎn)氣缸的輸出軸上，由旋轉(zhuǎn)氣缸來帶動(dòng)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，為了滿足機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)任一旋轉(zhuǎn)工作位的停止，采用了一個(gè)三位五通的雙控電磁換向閥（中位機(jī)能為0型）來驅(qū)動(dòng)；從而可以控制機(jī)械手的多個(gè)旋轉(zhuǎn)工作位，旋轉(zhuǎn)的極限位由兩個(gè)電感式傳感器來判斷，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由阻擋器來進(jìn)行緩沖處理，防止機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生剛性碰撞。整個(gè)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手通過采用壓縮空氣作為傳動(dòng)介質(zhì)，可以完成機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手懸臂的伸出和回縮、機(jī)械手臂的上升和下降、機(jī)械手指的夾緊和松開等多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)[2]。其氣動(dòng)回路圖參見圖2所示。系統(tǒng)所需要的工作氣壓靠氣動(dòng)三聯(lián)件控制在0.6～0.8 MPa之間。

圖2 機(jī)械手氣動(dòng)回路圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制元件選型

根據(jù)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)功能和控制系統(tǒng)的要求，機(jī)械手輸入采集信號(hào)為10個(gè)，再加上開關(guān)控制信號(hào)2個(gè)，共12個(gè)輸入信號(hào)；線圈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為8個(gè)，共8個(gè)輸出信號(hào)，根據(jù)輸入和輸出信號(hào)以及考慮預(yù)留量，選用三菱FX2N-32MR的PLC，繼電器輸出形式。又因?yàn)闅鈩?dòng)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)要求精確定位，故采用德國FESTO公司的氣缸（帶有位移傳感器），三位五通雙控電磁閥型號(hào)為CPE10-M1BH-5/3G，兩位五通雙控電磁閥型號(hào)為CPE10-M1BH-5J[3]。

2.2 PLC輸入輸出地址表和電氣原理圖

氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的裝置保護(hù)電路為起保停自鎖控制電路，如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急故障，只要按下急停蘑菇頭按鈕就可以切斷整個(gè)機(jī)械手的電源，此保護(hù)回路與PLC的電氣原理圖分開設(shè)計(jì)，這里不再詳述。根據(jù)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)回路原理圖中四個(gè)電磁閥和氣缸的檢測信號(hào)分析繪制輸入輸出地址表如下，參見表1。根據(jù)輸入和輸出地址表進(jìn)行PLC電氣原理圖的設(shè)計(jì)，PLC電氣原理圖參見圖3所示。

表1 搬運(yùn)機(jī)械手PLC輸入和輸出地址表

圖3 PLC電氣原理圖

2.3 PLC編程設(shè)計(jì)

由于PLC編程指令非常強(qiáng)大，功能指令很多，在編程設(shè)計(jì)時(shí)，編寫程序比較容易，非常方便實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)[4]；PLC的編程方法有很多種，本文采用三菱PLC的Gx軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)程序之前要先根據(jù)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的控制要求編寫工藝流程圖，參見圖4。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手編程設(shè)計(jì)包含設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全保護(hù)程序，系統(tǒng)的初始化程序[5]，系統(tǒng)復(fù)位程序，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的模式選擇程序，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的控制順序程序等部分，其中系統(tǒng)的初始化程序是氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作之前必須滿足初始化條件，即旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)到工件被搬運(yùn)點(diǎn)，懸臂氣缸回縮到位，手臂氣缸上升到位和手指氣缸放松到位；氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的模式選擇分為點(diǎn)動(dòng)調(diào)試控制、單周期運(yùn)行模式和循環(huán)模式（含暫停和完全停止控制），氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的控制順序程序?yàn)橹鞒绦颍鞒绦蚴菍?shí)現(xiàn)將工件從指定的地點(diǎn)搬運(yùn)到需要的地點(diǎn)進(jìn)行加工或分揀，按照工藝流程圖的要求利用步進(jìn)指令來編寫完成[6]。

圖4 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手工藝流程圖

2.4 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手安裝與調(diào)試驗(yàn)證

氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手安裝完畢以后，在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)調(diào)試操作前需要進(jìn)行操作如下：（1）電源控制柜內(nèi)的總空氣開關(guān)打到ON；氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的急停保護(hù)按鈕旋開；（2）確認(rèn)空壓站系統(tǒng)氣壓已達(dá)到6 MPa以上且穩(wěn)定；保證系統(tǒng)所需要的工作氣壓靠氣動(dòng)三聯(lián)件控制在0.6～0.8MPa之間，安全保護(hù)裝置的緊急停止電路處于解除狀態(tài)；（3）先選擇點(diǎn)動(dòng)調(diào)試，依次按下點(diǎn)動(dòng)按鈕，分別對(duì)每個(gè)氣缸按照動(dòng)作順序進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試；（4）點(diǎn)動(dòng)調(diào)試結(jié)束后，進(jìn)行單周期調(diào)試，無任何故障，連續(xù)順序動(dòng)作的調(diào)試無故障。如果系統(tǒng)中有故障現(xiàn)象，上電成功后先按一下“異常復(fù)位”按鈕，當(dāng)整體不存在異常時(shí)，設(shè)備按照工藝運(yùn)行，調(diào)試完成。注意若發(fā)生任一故障，必須等故障排除之后，重新按下“復(fù)位”按鈕，程序才能將故障信號(hào)解除，否則系統(tǒng)仍然不能啟動(dòng)。

3 結(jié)論

氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用[7]。基于PLC的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手通過安裝與調(diào)試驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，方案可行，實(shí)物結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠、性價(jià)比高、易于控制和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)踐過程中，機(jī)械手具有可以模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作等很多優(yōu)點(diǎn)，既減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又節(jié)約了人力資源，實(shí)用性較高，用途廣泛[8]；將其應(yīng)用在自動(dòng)生產(chǎn)線和柔性化生產(chǎn)中，不僅可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)等，應(yīng)用前景非常大。