一種PLC控制的物料交接柔性機械手系統

呼剛義，楊新剛，關雄飛，王蓀馨

（1.西安理工大學 信息技術與裝備工程學院，西安 710086；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710086）

一種PLC控制的物料交接柔性機械手系統

呼剛義1，楊新剛2，關雄飛1，王蓀馨1

（1.西安理工大學 信息技術與裝備工程學院，西安 710086；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710086）

自動流水線在國內企業中使用比較普遍，物料在不同工位之間的抓取及傳送常用工業機器人來完成，其柔性好，但一般的商品化機器人針對多功能作業要求進行設計，價格昂貴。給出了一種交接機械手系統完整方案及其具體細節，該機械手采用平面連桿機構與立柱旋轉機構相組合以實現靈活的物料抓取運動，采用PLC控制的液壓系統驅動，具有自動和手動兩種操作方式,可滿足不同自動生產線物料柔性傳送要求。該機械手結構簡單、運行平穩靈活、剛性好、成本低，具有推廣價值。

自動生產流水線；機械手；平面連桿機構

0 引言

隨著科技快速發展和經濟全球化日益加深，以及勞動力結構的快速變化，制造業企業目前正在面臨著前所未有的生存壓力，制造過程自動化、柔性化已經成為我國制造業發展的迫切需求。流水化制造或裝配生產線不斷地走進企業，而原先的流水生產線則向自動化、柔性化生產線持續升級。

對于自動流水線的物料傳輸系統中，存在著大量不同輸送線間、輸送線與作業工位間的物料轉運交接作業，交接的位姿及距離多變，一般可使用工業機器人，通過預先設置程序來適應工作要求。但一般的商品化機器人針對多功能作業要求進行設計，對于流水線物料轉送類作業來說，通常在功能、作業空間、承載能力等方面存在冗余，相對專用轉運裝置來說，其價格相對昂貴，限制了其在企業廣泛推廣。

針對上述情況，本文開發了一種新型機械手系統，該系統以PLC控制液壓系統驅動機械手完成不同工位之間物料的抓取和傳送，通過編制不同的控制程序可靈活實現不同的移動軌跡。該機械手結構簡單、運行平穩靈活、剛性好、成本低，對不同轉運交接作業柔性好，具有推廣價值。

1 交接機械手的機械結構

1.1 任務要求

自動流水線中不同作業地點轉送交接作業的位姿、距離及路徑要求各有不同，但針對每一具體的工位之間的物料轉送交接作業而言，其所要求的傳送位置和轉移的軌跡是相對固定的。這就要求物料交接機械手在滿足不同企業不同工位的多樣化轉送交接要求方面具有靈活性，同時又要高效可靠地滿足具體工位固定不變的轉送交接要求。

1.2 機械結構設計

為滿足自動流水線中物料傳送空間軌跡路線多樣化要求，在比較了多種結構方案的基礎上，確定了一種四自由度機械手方案，該機械手采用平面連桿組合機構，并通過立柱旋轉機構以實現360°內任意角度的轉動來抓取傳送物料，適應空間全方位物料交接；采用液壓元件驅動，傳動簡單、運動平穩且易實現自動化。

機械手的結構如圖1所示。機械手抓手的前移或后移通過伸縮油缸驅動伸縮橫臂沿燕尾導軌移動來實現，抓手的下移或上移由組成四桿滑塊擺桿機構的仰俯油缸活塞桿的伸縮完成，而抓手的姿態由腕關節油缸活塞桿的伸縮實現。這樣可使抓手的抓取中心到達機械手工作空間的任意位置。而物料的抓取和松開由抓取油缸活塞桿伸縮帶動抓手手指收縮和舒張來完成。

抓手抓緊物料后，機械手大臂擺動同時橫臂伸縮至合適的空間位置，隨后立柱旋轉到預置的角度，通過三個油缸協調運動讓物料放置至合適工位，然后抓手張開放料。最后抓手沿原軌跡返回開始下一工作循環。其中旋轉立柱的轉動扭矩來自液壓馬達，是通過齒輪傳動帶動立柱轉動的。

圖1 旋轉機械手結構簡圖

2 交接機械手的動力系統設計及速度控制

液壓驅動輸出推力或轉矩大，可無級變速，運動穩定，換向沖擊?。豢刹捎脴藴室簤涸墒竭B接，功能配置容易、布局緊湊、安裝方便，并可以快速構建復雜的動力系統；與機、電聯合使用時，并能實現自動化。因此，該機械手采用液壓驅動。

機械手液壓系統回路如圖2所示。系統選用柱塞油泵，額定壓力為10MPa，額定流量10L/min，液壓介質為N32抗磨液壓油。閥組疊加式安裝，便于迅速組合切換功能，泵站與操作機構的連接選用快插式軟管連接，便于拆裝。

從圖2可以看出，該回路是一個多執行元件控制回路。為了防止某一回路運動過快使系統回路壓力降低進而干擾其他回路動作，在控制回路的進油口增加了疊加單向閥防止液壓油因壓力差回流來解決回路互相干擾問題。執行元件的動作換向是由O型三位四通電磁換向閥實現，速度控制由回路中雙單向節流閥調節?；芈分携B加減壓閥用來調節抓手的抓緊力大小，采用的雙液控單向閥鎖緊回路使抓手抓緊物料時，抓力可以長時間保持不變。當機械手長時間不動作，可以通過二位四通換向閥實現液壓系統卸荷，節約能耗。

3 控制系統設計

控制系統設計包括電氣系統系統硬件設計及軟件設計。

3.1 電氣系統設計

該機械手系統的電氣原理圖及PLC的I/O分配如圖3所示。其中產生液壓油的液壓泵工作是由繼電器系統回路控制，回路由主電路和控制電路兩部分組成。按下按鈕SB3，交流接觸器KM1和中間繼電器KA0的線圈同時通電，隨即KM1主觸點動作泵電機起動，同時KM1輔助觸點閉合自鎖，與此同時KA0常開觸點動作PLC上電。而按下按鈕SB2，KM1和KA0線圈斷電進而電機和PLC停止工作。該控制回路具有短路、過載和過低壓保護功能，控制簡單、操作方便。

圖2 液壓系統原理圖

圖3 電氣原理圖及PLC的I/O分配

交接機械手的工作，是由多個作為執行元件的液壓缸來實現的。考慮到轉送交接作業任務的多樣化需求及作業的可靠性要求，該交接機械手采用PLC作為控制器。PLC控制器就是通過對電磁換向閥的電磁線圈的控制，進而控制電磁閥來改變執行元件液壓缸工作狀態，實現機械手自動或手動動作。PLC控制器硬線接線及I/O地址分配如圖3所示，圖中注明了選用的端子號及其功能。例如I0.4信號來自開關SB11的接通，表示臂伸出指令；同樣輸出信號Q0.4能控制KA5繼電器接通或斷開，并結合圖2所示我們知道KA5是用來控制仰俯油缸回路的電磁換向閥YA2端的通斷，進而實現機械手下移動作。

3.2 PLC控制程序設計

該交接機械手應用在空調制冷壓縮機生產自動流水線的焊接后水中充壓試漏工序段，實現壓縮機進水出水的搬運工作。根據現場條件以及工作流程要求，交接機械手的PLC控制程序設計要實現手動操作和自動操作兩種工作方式。

程序整體設計框架如圖4所示。首先PLC開始處于運行狀態下，特殊繼電器SM0.0驅動Q0.0帶電輸出，即上電指示燈點亮，標志PLC準備就緒。

接著選擇面板上的自動/停止/手動選擇開關接通地址I0.2或I0.3來使機械手處于手動或自動工作模式，硬件電路保證了兩種工作模式只能運行其一。程序中運行方式的選擇由JMP跳轉指令完成，同時相應工作方式的指示燈亮。

圖4 控制程序

手動運行模式由手動程序段來執行。其主要用于標定每個自由度的運動起終點位置，起終點位置由安裝在機械手上的霍爾位置傳感器來實現?？刂葡到y應確保對于同一個液壓缸的兩個運動方向的運動控制互鎖，而不同液壓缸的運動控制相互獨立。當機械手處于在調試階段或位姿不精確需要調整時就需工作在手動模式。

自動工作模式由自動程序段完成。機械手自動抓取移動物料的過程，實際是一個順序工作過程。因此程序設計方法就采用順序功能圖設計方法。該設計方法思路清晰、程序修改方便，不易出錯。當機械手調試或調整完成后進行正常工作時控制系統就應切換到工作模式。

4 結束語

開發了一種交接機械手系統，系統給出了其具體方案，包含機械結構、液壓系統、電氣控制系統軟硬件方案。該系統采用PLC控制器作為控制核心，具有自動手動兩種工作方式，采用平面連桿機構結合立柱旋轉功能可以實現不同運動軌跡的抓放操作，工作可靠。采用液壓驅動，運動平穩。該機械手系統能滿足物流轉送交接過程的柔性化及自動化要求，且結構簡單、操作方便、價格便宜，具有推廣價值。

該機械手已在某企業空調制冷壓縮機生產自動流水線的焊接后水中充壓試漏工序段中使用，運行情況良好。該機械手也被多個院校購買，成功應用到機電液一體化自動控制實踐實訓教學環節中。

以目前所開發的機械手系統為基礎，應用組態技術，增加必要的檢測功能，則會進一步豐富該系統的功能，可適應更多的應用場合。

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A flexible manipulator system for material transferring controlled by PLC

HU Gang-yi1, YANG Xin-gang2, GUAN Xiong-fei1, WANG Sun-xin1

TH165

A

1009-0134(2017)04-0121-03

2016-11-26

陜西省教育廳科研計劃項目（11JS073）

呼剛義（1972 -），男，陜西澄城人，副教授，工學碩士，研究方向為數控技術。