機械手搬運物料精確定位控制系統設計

胡志剛，陳偉卓

(南通紡織職業技術學院 機電系，江蘇 南通 226007)

物料搬運機械手在高溫、重載、多粉塵的危險環境中應用普遍，不但可以減輕工人的勞動強度，還可以大大提高生產的效率[1-2]。在實際應用中，一般的物料搬運定位控制大多采用可編程控制器PLC加脈沖定位模塊進行定位控制，此方法結構復雜，硬件成本高[3-4]。本文直接利用PLC本身的高速脈沖輸出端口分別控制X軸與Y軸的步進電機，通過控制脈沖的個數，分別實現X軸與Y軸精確的定位功能。使用真空吸盤代替機械手手爪，實現了對特殊材料(如外形不規則、夾持易碎等)的吸取與釋放[5]。該系統結構簡單、運行平穩、定位準確、可以搬運氣動手爪無法搬運的物料。

1 機械手總體結構與控制要求

1.1 機械手總體結構

該機械手由X軸、Y軸滾珠絲杠機構，Z軸升降氣缸與真空吸盤抓取機構等組成。步進電機通過聯軸器連接X軸與Y軸絲杠，控制脈沖的個數，實現X軸與Y軸精確的定位功能。機械手到達指定的位置后，通過Z軸升降氣缸與真空吸盤的控制，可以完成物料的吸取與釋放。機械手總體結構如圖1所示。

圖1 機械手總體結構圖

1.2 機械手控制要求

(1) 操作模式分為手動和自動方式兩種。通過觸摸屏的觸摸手動或自動操作按鈕，分別進入手動與自動操作界面。

(2) 手動操作時，通過觸摸屏操作X軸與Y軸的正、反轉點動按鈕，將機械手運行至任何位置，并可進行原點返回。按下上升與下降按鈕可完成Z軸氣缸的上升與下降動作，按下吸取與釋放按鈕，可完成工件的吸取與釋放動作。

(3) 自動操作時，機械手按圖2的工件位置進行搬運，初始位置位于原點(在②位的左側)，首先將工件從1號位置搬運至2號位置，然后由2號位置搬運至3號位置，最后回到1號位置，進入下個周期。

(4) 按下停止按鈕時，機械手并不立即停止，要等到一個周期結束后，方可停止。

(5) 為了防止X軸與Y軸發生越程故障，X軸與Y軸應有極限保護功能。

圖2 搬運工件示意圖

2 氣動控制系統設計

根據機械手的控制要求，機械手共有1個執行氣缸來完成Z軸(上升與下降)運動，1個真空發生器帶動真空吸盤完成物料吸放任務，執行氣缸與真空發生器由二位五通電磁閥控制，均采用雙電控電磁閥。電磁閥出氣口安裝有節流閥，用來調節氣體流量的大小確保氣缸的動作平穩可靠[6-8]。氣缸選擇活塞帶磁性的氣缸，便于利用磁性開關來檢測氣缸活塞的位置，即檢測活塞的運動行程。為了確保真空發生器產生的負壓能夠吸住物體，采用氣壓傳感器檢測負壓大小[9-12]。設計的機械手氣動回路如圖3示。

圖3 機械手氣動控制回路

3 PLC控制系統硬件設計

3.1 PLC控制系統輸入輸出分配表

根據機械手搬運物料的控制要求，輸入信號中升降氣缸動作是否到位采用2個磁性開關來檢測；為了確保真空發生器產生的負壓能夠吸住物體，采用一氣壓傳感器來檢測。X軸與Y軸分別裝有限位及原點開關，加上啟動、停止、復位、急停按鈕，共占用PLC的13個輸入點。輸出信號有：控制X軸與Y軸的脈沖與方向信號，氣缸升降、吸取與釋放電磁閥，加上啟動、停止、復位指示燈，共占用11個PLC輸出點。考慮到設備的擴展功能，選用三菱FX3U-32MT的PLC可滿足控制要求，輸入輸出點的具體分配見表1所示。

表1 PLC控制系統輸入/輸出分配表

3.2 PLC控制系統電氣原理圖設計

根據機械手控制系統的輸入/輸出分配表，設計PLC控制系統電氣原理圖如圖4和圖5所示。圖4中，PLC選擇晶體管輸出型及三菱FX3U-32MT內置獨立3軸最高100 kHz的定位功能，完全能滿足機械手搬運物料的定位控制要求。QF為自動空氣開關，主要控制PLC電源與直流開關電源，同時具有短路、過載等保護。T1為24 V直流開關電源，提供PLC輸入/輸出電路、步進電機驅動器及觸摸屏的直流電源。磁性開關有藍色和棕色2根引線，設計線路時，注意藍色線接低電位，棕色線接高電位，由于采用三菱FX3U的PLC，輸入電路需要接24 V電源，考慮到氣壓傳感器檢測開關為PNP型，因此將PLC的S/S端接開關電源-24 V端子;磁性開關的棕色線與氣壓傳感器棕色線接直流開關電源+24 V端子，藍色線分別接PLC的X端子。

FX3U-32MT的輸出端子Y0—Y3具有輸出高速脈沖的功能，因此必須控制步進電機驅動器的脈沖端。其中，Y0、Y2分別為X軸步進驅動器的脈沖輸入信號和方向輸入信號，Y1、Y3分別為Y軸步進驅動器的脈沖輸入信號和方向輸入信號。考慮到設備在使用過程中的安全性，防止因程序編寫有誤或其他原因導致越程故障而損壞設備，在X軸與Y軸分別設置2個極限開關，分別是SQ1、SQ2、SQ5、SQ6，設備運行過程中，到達X軸或Y軸的極限點，以上開關會閉合，從圖5中可以看出，此時KA中間繼電器吸合，KA兩對常開觸點分別接通兩臺步進電機驅動器的使能端，此時步進電機停止運行，從而起到保護設備的作用。Y4—Y12主要驅動3只指示燈與4只電磁閥線圈，負載電壓均為直流24 V。

圖4 機械手控制系統電氣原理圖(一)

圖5 機械手控制系統電氣原理圖(二)

4 PLC控制系統軟件設計

根據機械手自動控制要求設計的機械手自動運行流程圖見圖6。機械手起始在原點位置，當按下啟動按鈕后，機械手首先前進至1號位置。在X軸方向，1號位置距離原點為11.9 mm,在Y軸方向，1號位置距離原點為49.4 mm，機械手步進電機的步距角為1.8°，在無細分的條件下，步進電機轉1圈需要200個脈沖。為了提高控制的精度，將步進驅動器的細分系數選擇4,此時步進電機轉1圈需要800個脈沖。由于機械手絲杠的螺距為5 mm，因此，在X軸方向發送1 904(11.9×8÷5)個脈沖，在Y軸方向發送7 904(49.4×800÷5)個脈沖，可到達1號位置。

圖6 機械手自動運行程序流程圖

機械手到達1號位置時，Z軸氣缸下降吸取工件后上升，前進至2號位置。在X軸方向，2號位置距離1號位置為160 mm，在Y軸方向，2號位置距1號位置為140 mm，因此需要發送脈沖分別為25 600個和22 400個。

機械手到達2號位置，進行工件釋放，釋放后延時2 s，再進行工件吸取，并前進至3號位置。在X軸方向，3號位置距2號位置為0 mm，在Y軸方向，3號位置距2號位置為160 mm，因此，X軸不需發脈沖，Y軸發送22 400個。到達3號位置進行工件釋放，釋放后延時2 s，回到1號位置，進入下一個周期。

5 觸摸屏畫面設計

采用三菱觸摸屏作為機械手的人機界面，分別設計歡迎主界面、手動控制界面、自動控制界面。用GT-desinger軟件的工程向導依次完成觸摸屏的系統設置、連接機器設置、畫面切換元件的設置等。機械手手動控制畫面如圖7所示，歡迎主界面、自動控制界面與手動控制畫面相似。

歡迎主界面中手動與自動按鈕屬于多用動作按鈕，具有位開關與畫面切換兩種功能。手動控制界面中的X軸正轉點動、反轉點動、回原點、停止開關分別與PLC輔助繼電器M0—M3對應；Y軸正轉點動、反轉點動、回原點、停止開關分別與PLC輔助繼電器M10—M13對應；氣缸上升與下降、吸取與釋放分別與PLC的輔助繼電器M20—M23對應，以上開關均屬于位開關、點動屬性。

氣缸動作指示燈分別與PLC的實際輸出Y4—Y7對應，屬于位狀態指示燈。返回主界面按鈕屬于畫面切換開關。自動控制界面中啟動、停止、復位按鈕分別與PLC的輔助繼電器M32、M41、M40對應，屬于位開關、點動屬性。

圖7 機械手手動控制畫面

6 結束語

本系統應用了PLC技術、觸摸屏技術、步進電機控制技術等，通過PLC編程，可實現任一位置的精確定位功能。實踐表明，該系統操作方便、運行可靠、定位精確、使用效果良好。其方法與技術可擴展到機械、冶金、化工等行業，具有廣闊的應用前景。

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