往復移動式氣動機械手的精確位置控制系統設計

2015-04-26 08:24:24李建國

機床與液壓 2015年3期

李建國

(天津職業技術師范大學，天津 300222)

0 前言

固定式氣動機械手廣泛應用于自動裝配生產線，在提高生產效率、保障裝配精度及降低操作者的勞動強度等方面都發揮了重要作用。

隨著裝配生產線自動化程度的不斷提高，固定式的機械手已不能勝任多工位、長距離、寬面域的自動裝配生產線的工作，取而代之是往復移動式氣動機械手。

移動式機械手主要由移動平臺和機械手共同組成，與固定式機械手相比較，具有工作范圍大、精確的位置控制功能等特點，因此，移動式機械手在工業領域的應用會更加廣泛，對移動式機械手的精確位置控制的研究，將有著很重要的實際意義。

文中將以移動式機械手模型為例，對常見的移動式械手的結構組成、氣動回路原理、PLC系統精確的位置控制過程作較詳細的設計與介紹。

1 往復移動式氣動機械手的模型結構

1.1 往復移動式機械手的結構

往復移動式機械手模型結構見示意圖1。主要由直線導軌、移動平臺、旋轉氣缸、升降氣缸、氣動夾頭、機械手臂、同步齒形帶、直流電機、旋轉編碼器、接近開關等組成。

圖1 機械手結構示意圖

1.2 主要部件的作用

(1)直線導軌。支撐移動平臺，機械手的移動距離由直線導軌的長度決定。

(2)移動平臺。承載氣動機械手，使之延直線導軌移動。

(3)旋轉氣缸。控制氣動機械手作180°的往復旋轉運動，并在0和180°兩個位置設有限位開關。

(4)升降氣缸。控制機械手臂和氣動夾頭上升和下降。

(5)氣動夾頭。夾緊和放松工件。

(6)接近開關。限制機械手的行程距離，使其移動不要超距。

(7)旋轉編碼器。位置檢測元件，采用增量型旋轉編碼器，與PLC配合實現精確的位置控制。

(8)直流電機。機械手移動的動力元件。

2 氣動回路設計

機械手臂的升降、回轉及氣動夾頭的動作是由氣動回路的控制實現的。氣動夾頭是由直線運動氣缸和夾持裝置組成，氣缸伸出，夾頭加緊，氣缸回縮，夾頭釋放;升降氣缸負責機械手臂的升降，該氣缸與氣動夾頭氣缸，分別由兩個兩位五通單電控直流24 V的電磁閥控制;旋轉氣缸負責機械手臂的180°的回轉，有0和180°兩個位置，該氣缸由一個雙電控兩位五通電磁閥控制:在各氣缸的進出回路分別設有單向節流閥，用來控制氣缸動作的速度及穩定性。該氣路組成簡單、實用，完全滿足移動機械手的動作要求。氣路原理如圖2所示。

圖2 氣路原理圖

3 PLC控制系統設計

3.1 輸入/輸出點分配

根據氣動機械手實現的功能及要求，該系統共有9個輸入及6個輸出信號。采用西門子S7-200CPU226滿足要求，I/O地址分配及功能表見表1。

表1 I/O地址分配及功能表

3.2 PLC控制系統硬件電路設計

根據輸入及輸出信號PLC控制系統的硬件電路如圖3所示。

3.3 直流電動機控制電路

直流電動機是移動式機械手做往復移動的動力元件，該電機由KM1和KM2控制正轉與反轉，其電路原理見圖4。

圖4 直流電動機原理圖

4 機械手位置移動控制原理

從往復移動機械手結構示意圖可知，機械手的移動，是通過同步齒形帶，帶動移動平臺作往復移動的，齒形帶移動的距離通過增量型編碼器轉換成相應的脈沖信號，此脈沖信號被PLC的高速計數器進行計數，其計數值與齒形帶移動的距離存在著對應關系，當齒形帶移動達到某一設定值時，通過高速計數器的計數值就可以控制PLC輸出，PLC的輸出控制電動機停止工作，從而實現了機械手的位置控制。利用編碼器與PLC實現齒形帶移動距離的控制原理見圖5所示。