基于PLC的桁架機械手控制系統設計

程晟

（山西能源學院 機電工程系，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來，隨著我國科學技術的日益發展與完備，機械設計制造及自動化行業在此大背景下，呈現出較快的發展勢頭，有力地推動了我國社會經濟的持續、高速、穩健發展[1]。在歐美日等發達工業國家，由加工中心和桁架機械手組成的敏捷柔性生產系統已經是主流產品。桁架機械手作為柔性輸送系統，已成為柔性加工自動線中的重要組成部分[2]。桁架機械手將在推動中國產業智能化的進程中起到舉足輕重的作用。桁架式機械手也叫龍門式機器人，屬于直角坐標機器人的一種。機械加工行業所設計的桁架式機械手與數控機床的結合，可以實現在該設備或多設備之間的工件自動抓取、上料、下料、工件轉序加工[3]。桁架機械手與機床是構成自動加工生產線的主要設備，可實現全部工藝過程中的工件自動抓取、上下料、裝夾、工件移位翻轉、工件轉序加工等操作[4]。

桁架機械手由機械結構、電動、氣動回路和控制系統等部分組成。本次設計的桁架機械手可以與自動生產線配合，完成以大批量生產為基礎的小型部件生產運輸，具有良好的經濟價值。與關節式的工業機器人相比，桁架機械手有以下特點：1）工作行程自由設計，節省工作空間；2）制造成本較低，制造工藝簡單，后期維護方便；3）結構簡單，便于安裝與調試；4）穩定性和精確度高；5）拓展能力強，可根據實際需要為機械手更換不同的工作部件，具有工作多樣性及生產方式的高適應性。

1 桁架機械手結構設計

桁架機械手結構為兩軸式（如圖1），由桁架主體、X軸進給傳動機構、Z軸進給傳動機構、桁架機械手夾取裝置、工件工位擺放臺等組成。桁架主體安裝在工件擺放臺上，立柱支撐X軸和Z軸分別設有導軌和進給傳動機構，氣動手夾取裝置安裝在Z軸下端。

圖1 桁架機械手結構

X軸橫梁距離長、負載大，容易導致彎曲，而使X軸的水平度不夠導致Z方向產生距離誤差，也使得X方向運行流暢度降低。故對X方向平直度和剛度均具有一系列要求。本設計以滑軌控制運動軌跡，以滾珠絲杠驅動水平進給運動，通過固定軸承將X軸的滾珠絲杠進行軸向固定，軸端安裝有步進電動機，驅動滾珠絲杠旋轉運動，帶動滾珠螺母進行軸向移動，滾珠螺母與滑塊之間固定，實現滑塊X軸進給帶動進給運動。通過安裝在滑塊上的一個位置傳感器定位三工位對應X軸方向位置，通過X軸桁架固定的限位傳感器對X軸運動進行限制。

Z軸實現上下進給運動，保證手臂強度和剛度，同時保證其在重力作用下的位置控制，使自身單元能實現平穩流暢的高速運動并保證較高精度的定位。此方向的驅動電動機采用了帶抱軸功能的伺服電動機。Z軸是通過滾珠螺母固定在X軸滑塊上，Z軸滾珠螺母并不進行Z軸方向的運動，也不轉動，是滾珠絲杠相對固定的螺母轉動，從而實現整體在Z軸方向的上下運動。這樣設計的好處是可以保證Z軸的手臂強度和剛度，并且有足夠空間安裝氣動機械夾爪。在傳感器設置方面，通過安裝在固定桁架結構上的一個位置傳感器定位三工位對應Z軸方向位置，通過桁架固定的限位傳感器對Z軸運動進行限制。

通過X軸與Z軸的電動機控制就可以完成氣動夾爪在豎直平面的復合運動，在此位置安裝氣動機械夾爪，配合工件工位擺放臺的光電傳感器，通過氣壓傳動系統，完成桁架機械手裝置的相關夾取動作。

2 桁架機械手電動機計算選型

已知工作臺與工作物的總質量M，工作臺與工作物移動時的最大速度為Vl，絲杠直徑為D，絲杠全長為L，絲杠導程為PB，螺桿機構的機械效率為η，滑動面摩擦因數為μ，移動量為l，總移動時間為t0。

1）桁架機械手X軸電動機擬采用步進電動機，其選型計算過程如下。先分析其運動的電動機速度曲線圖，如圖2所示。

圖2 電動機速度曲線圖

步進電動機加速時間計算公式為

電動機所需轉動速度計算公式為

步進電動機負荷轉矩計算公式為

然后進行步進電動機負荷慣量計算。

直線運動的負荷慣量計算公式為

滾珠絲杠的負荷慣量計算公式為

總的負荷慣量計算公式為

再進行電動機轉矩計算。

啟動轉矩計算公式為

必需轉矩計算公式為

式中：S為安全系數；JM為電動機轉子慣量，kg·m2。

通過如上計算過程，初步選擇電動機型號為步科Kinco2S56Q-02054，該電動機的轉子慣量為JM=0.24×10-4kg·m2，最大轉矩為0.135 N·m。該電動機滿足選型要求。

2）桁架機械手的Z軸擬采用伺服電動機，其選型計算過程如下。首先計算折算到電動機軸上的負載慣量。

重物折算到伺服電動機軸上的轉動慣量計算公式為

螺桿轉動慣量計算公式為

總負載慣量計算公式為

電動機轉速計算公式為

再計算伺服電動機驅動負載所需要的轉矩。

克服摩擦力所需轉矩計算公式為

重物加速時所需轉矩計算公式為

螺桿加速時所需要轉矩計算公式為

加速所需總轉矩計算公式為

下面計算瞬時最大轉矩。

加速轉矩計算公式為

勻速轉矩計算公式為

減速轉矩計算公式為

實效轉矩計算公式為

選擇伺服電動機的要求為：額定伺服電動機轉矩T>Tf且T>Trms，且最大伺服電動機轉矩Tmax>Tf+TA。由以上2個條件選擇合信E10系列的CTSDM16-B2012-M100伺服電動機。

傳動系統的主要元器件及品牌型號如表1所示。

表1 傳動系統的主要元器件列表

3 氣動回路設計

實際被抓取物的質量較輕，所以機械手的抓取能力需求低，可將桁架機械手設計成由氣缸作用完成抓取和放開動作的氣壓驅動式的機械手，這就需要一套與之配套的完整的氣動傳動系統。設計桁架機械手的氣壓系統如圖3所示。

根據氣動傳動系統為氣路各主要器件選型，結果如表2所示。

表2 氣動傳動系統主要器件表

4 機械手控制系統設計

桁架機械手控制系統包括主控制器PLC及輸入輸出設備。控制器采用西門子品牌PLC，由電源、I/O口、存儲器及通信端口組成；輸入設備包括電感式、光電式、磁感應傳感器和控制按鈕；輸出設備主要有電磁換向閥、電動機驅動器。

該桁架機械手的PLC需要14個I點數，都為數字量點；8個O點數，包括4個數字量點，4個模擬量點，只需要一個小型PLC控制器即可。

所需PLC存儲器容量粗略估算為（18÷8×15+8×100）×125%≈1042 B。

選擇PLC的通信功能以電腦為主站、PLC為從站，搭配組成PLC檢測控制網絡。因為點數需求少，選擇PLC的機型為整體式。選擇西門子S7-1200中的CPU 1214C DC/DC/DC的PLC為該桁架機械手的可編程邏輯控制器。

對PLC的I/O口進行功能分配，如表3所示。

表3 PLC的I/O口分配表

對桁架機械手運動路徑進行分析，可得機械手運動路徑，如圖4所示。

圖4 機械手運動路徑圖

打開開關，機械手在桁架上尋找零點，先右移尋找X軸零點，再上移尋找Z軸零點，接下來右移到X軸一號位，機械手再向下移動到Z軸一號位，進行物料抓取，抓取物料后向上移動到Z軸二號位，再向右移動至X軸二號位，然后向下移動至Z軸三號位，機械手松開物料，同時物料二號位的氣動機械手夾緊氣缸，最后機械手先向上移動到Z軸零點位置，再在X軸向左移動回到X軸零點位置。

由此可以設計出桁架機械手的控制流程，如圖5所示。

圖5 桁架機械手的控制流程圖

5 結論

本文設計的二軸式桁架機械手以PLC為控制核心，滾珠絲杠、電動機、夾爪氣缸為執行機構，編碼器、傳感器為反饋元件。通過PLC程序編譯，實現對輕小物料實施精準的抓取和移動。該桁架機械手可以與自動生產線配合，完成以大批量生產為基礎的小型部件生產運輸，具有良好的經濟價值。數字化信息的交流可實時記錄生產情況，充實智能化生產線。

制造業是國民經濟的主要支柱，也是今后我國經濟“創新驅動、轉型升級”的主戰場[5]。在兩化融合的今天，桁架機械手在生產、運輸等各行各業廣泛采用，無論從生產質量、運輸速度、經濟效益等各方面來衡量，都已經遠遠超過原來的生產模式。桁架機械手有較強的負載能力，結構簡單，調試方便，適用于大體積和大質量的貨物，還可以和輸送線、運料小車等聯網聯動，實現更為綜合的倉儲系統[6]。未來我國制造業在新業態、新氣象下的發展，將會使桁架機械手與智能化、自動化的關系更加密切。