柔性生產(chǎn)線中五自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)研究

王偉

（岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南 岳陽(yáng) 414000）

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柔性生產(chǎn)線中五自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)研究

王偉

（岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南 岳陽(yáng) 414000）

柔性生產(chǎn)可使多臺(tái)不同功能的設(shè)備進(jìn)行整合，而各設(shè)備間的工件傳遞需要智能的搬運(yùn)設(shè)備形成整體，本文對(duì)一種基于PLC控制的五自由度搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)。

柔性生產(chǎn)線；五自由度；機(jī)械手

1 引言

柔性生產(chǎn)線是指依靠計(jì)算機(jī)管理，將多種生產(chǎn)模式結(jié)合，配以自動(dòng)運(yùn)送裝置組成而的生產(chǎn)線。在具體的生產(chǎn)線實(shí)施中，可以通過(guò)多臺(tái)專用機(jī)床通過(guò)調(diào)整、聯(lián)結(jié)，形成柔性整體，從而達(dá)到減少生產(chǎn)成本的目的。

在柔性自動(dòng)生產(chǎn)線中，各個(gè)加工設(shè)備、自動(dòng)輸送帶設(shè)備之間都需要進(jìn)行物料的傳送，傳統(tǒng)的二維機(jī)械手傳送就可以實(shí)現(xiàn)其要求，但有時(shí)在物料傳送時(shí)不是簡(jiǎn)單的二維傳送，還需要改變物料的方向和位置，對(duì)于物料傳送位置和方向不固定的情況，二維機(jī)械手就無(wú)法進(jìn)行操作了，資金雄厚的企業(yè)一般就選用機(jī)器人，通過(guò)編制不同的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。但機(jī)器人價(jià)格昂貴，中小型企業(yè)無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用，限制了推廣應(yīng)用范圍。

對(duì)于柔性自動(dòng)生產(chǎn)線物料自動(dòng)輸送，更多的情況是物料傳送的位置和轉(zhuǎn)變的方向相對(duì)固定，這種情況下可以研發(fā)具有多維的多自由度機(jī)械手，能夠滿足采用物料抓取傳送，價(jià)格也相對(duì)便宜，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單的多，容易維護(hù)，適合大范圍的推廣使用。

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程

該搬運(yùn)機(jī)械手由小臂、大臂、肩部組成，小臂依靠腕關(guān)節(jié)軸和肘關(guān)節(jié)軸實(shí)現(xiàn)小臂上下移動(dòng)和腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂俯仰角度為-90°至30°，腕關(guān)節(jié)俯仰角度為0°至25°。大臂由連接件、絲桿螺母、電機(jī)、肩關(guān)節(jié)軸和連接件組成，俯仰角度為-90度至40°。腰部電機(jī)實(shí)現(xiàn)大臂整件水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為-150度至150°，肩部復(fù)合連接件組成。手爪采用氣動(dòng)兩端夾緊形式，法蘭盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度為-135°至135°。如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作順序按照如下過(guò)程實(shí)現(xiàn)：

（1）按下啟動(dòng)鍵，機(jī)械手進(jìn)行初始位置檢測(cè)，如未停留在初始位置，檢測(cè)后進(jìn)行初始化設(shè)置，機(jī)械手回到初始位置；

（2）初始位置檢測(cè)完成后，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至取件工位等待取件；

（3）檢測(cè)到工件后，手爪向前伸展，到限位位置后手爪下降，下降至工件上方進(jìn)行定位，定位完畢后氣動(dòng)手爪開(kāi)啟，從左取件工位抓取工件，工件抓取完畢后，手爪停留1秒時(shí)間；

（4）1秒后，氣動(dòng)手爪上升并回退至初始位置，停留0.5秒；

表1 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)I/O分配

（5）0.5秒后，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至放件工位，檢測(cè)到放件工位位置，且放件位置為空后，手爪向前伸展并下降，停穩(wěn)后氣動(dòng)手爪釋放，在工位釋放工件，釋放完畢后，停留1秒時(shí)間；

（6）1秒后，機(jī)械手回轉(zhuǎn)至初始位置，等待下一個(gè)工件，開(kāi)始循環(huán)。

整個(gè)控制過(guò)程中，機(jī)械手的動(dòng)作要求保持連貫，每個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)的過(guò)程中要采用精確感應(yīng)的傳感限位開(kāi)關(guān)，到達(dá)限位位置后，傳感器及時(shí)反饋信號(hào)輸出，從而保證機(jī)械臂不發(fā)生卡死和碰撞的情況，后續(xù)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也明確定義了各關(guān)節(jié)的極限位置。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC的I/O分配

本項(xiàng)目的PLC選型為德國(guó)西門(mén)子S7-200系列，具有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出。根據(jù)上述對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作的要求進(jìn)行I/O分配。如表1所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)整個(gè)控制過(guò)程實(shí)施，可以采用梯形圖和步進(jìn)指令來(lái)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，依據(jù)多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制的特點(diǎn)，采用步進(jìn)指令進(jìn)行編寫(xiě)可以有條不紊，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)每一步動(dòng)作。在啟動(dòng)時(shí)，初始位置的設(shè)定可選為取件位置，也可選擇左右目標(biāo)位置中點(diǎn)，依據(jù)步進(jìn)電機(jī)和傳感器進(jìn)行定位。

檢測(cè)到取件位置有工件后，可依據(jù)傳感器定位和各關(guān)節(jié)限位數(shù)據(jù)進(jìn)行精確取件，取的過(guò)程中，定時(shí)器定時(shí)主要起穩(wěn)定氣動(dòng)手爪的作用，放件控制過(guò)程類同于取件控制過(guò)程。完成單周期動(dòng)作后，要進(jìn)行多次測(cè)試，最終達(dá)到循環(huán)無(wú)故障。步進(jìn)程序按照定義好的I/O配置和運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)，注意各關(guān)節(jié)處步進(jìn)電機(jī)的位置精確控制。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代柔性生產(chǎn)線中，各模塊間靈活組合大幅度增強(qiáng)了生產(chǎn)線的可塑性，但模塊與模塊之間工件的輸送任務(wù)需要機(jī)械手來(lái)承擔(dān)。自由度較低的機(jī)械手可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的搬運(yùn)，但復(fù)雜的工位間進(jìn)行輸送就需要更加靈活、更多自由度的機(jī)械手來(lái)完成。本設(shè)計(jì)中，利用五個(gè)步進(jìn)電機(jī)形成五自由度控制機(jī)械手，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可以基本實(shí)現(xiàn)各個(gè)復(fù)雜工位間的物料輸送，在工業(yè)上有較大的實(shí)用性；同時(shí)，在學(xué)校教學(xué)中也可以作為典型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)案例來(lái)進(jìn)行教學(xué)和實(shí)施，具有較大的推廣價(jià)值。

[1]徐元昌.工業(yè)機(jī)器人.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999.08.

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[3]田忠強(qiáng).一種五自由度機(jī)器人機(jī)構(gòu)的研究與開(kāi)發(fā)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(碩士論文)，西安理工大學(xué)，2004.3.

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