多自由度柔性機(jī)械手的控制系統(tǒng)實現(xiàn)

王 偉，彭細(xì)華

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

多自由度柔性機(jī)械手的控制系統(tǒng)實現(xiàn)

王 偉，彭細(xì)華

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

本文介紹了一種基于西門子PLC和氣動控制設(shè)計的多自由度柔性搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了柔性自動生產(chǎn)線中兩個位置的物料抓取和傳送，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低廉，有較強(qiáng)的推廣價值。

多自由度；柔性生產(chǎn)；機(jī)械手

0 引言

在柔性自動生產(chǎn)線中，各個加工設(shè)備、自動輸送帶設(shè)備之間都需要進(jìn)行物料的傳送，在機(jī)械代替人工后，早期的二維機(jī)械手可以實現(xiàn)簡單的二維傳送。但現(xiàn)代物料搬運(yùn)的過程中，出現(xiàn)了物料傳送位置和方向不固定的情況，機(jī)械手不單進(jìn)行簡單的兩點傳送，還需要改變物料的方向和位置，二維機(jī)械手就限制了其使用范圍。這種情況下，采取研發(fā)能夠完成變換方向進(jìn)行選擇，實現(xiàn)兩個位置間物料的抓取和傳送的多維的多自由度機(jī)械手，將更加適合大范圍的推廣使用。

1 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)組成和工作原理

該機(jī)械手的運(yùn)動控制采用氣動驅(qū)動，一方面，能源充足、清潔；另一方面，也可以簡化機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手的運(yùn)動速率和工作效率。整個氣動控制系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、氣泵、三聯(lián)件、短程升降氣缸、左右伸縮氣缸、雙向旋轉(zhuǎn)氣缸、氣爪、電磁閥、接近開關(guān)、行程開關(guān)和紅外開關(guān)等組成。機(jī)械手由氣泵提供動力源，三聯(lián)件用于分離水分、過濾雜質(zhì)、保持氣源干凈，上下位置的移動由上下短程升降氣缸控制，左右位置的移動由左右伸縮氣缸實現(xiàn)，底座的旋轉(zhuǎn)由雙向旋轉(zhuǎn)氣缸完成。電磁閥控制氣缸往復(fù)運(yùn)動，紅外開關(guān)用于檢測物料有無，定位和行程開關(guān)用于精確確定機(jī)械手各部分的工作位置。

2 機(jī)械手控制過程要求

（1）按下啟動鍵，機(jī)械手進(jìn)行初始位置和初始狀態(tài)檢測；

（2）初始檢測完成，回轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)到左工位，機(jī)械手升降氣缸下降；

（3）升降氣缸下降至下限位時，氣動氣爪開啟，從左工位抓住工件；

（4）停留1秒后，升降氣缸開始上升；

（5）上升至上限位后，升降氣缸停止，回轉(zhuǎn)氣缸回轉(zhuǎn)；

（6）回轉(zhuǎn)氣缸回轉(zhuǎn)到右限位后，伸縮氣缸向右伸開；

（7）右移至右極限位置后（右工位），伸縮氣缸停止工作；

（8）升降氣缸向下移動至下極限位置，氣爪松開工件；

（9）停留1秒后，升降氣缸上升至上限位，伸縮氣缸回縮；

（10）伸縮氣缸回縮至左限位后，回轉(zhuǎn)缸氣逆向回轉(zhuǎn)到達(dá)左工位，開始下輪動作循環(huán)。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC的I/O分配及功能說明

PLC主要運(yùn)用于工業(yè)環(huán)境下實現(xiàn)計算機(jī)和繼電器相結(jié)合，經(jīng)過輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段。經(jīng)過一些典型的控制案列研究，本控制系統(tǒng)程序控制采用德國西門子S7-200系列的PLC，具有24點輸入，16點輸出。，進(jìn)行啟動、停止、上升、下降、伸長、回縮、抓緊、放松、左旋、右旋繼電器控制系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)上述機(jī)械手動作的要求進(jìn)行I/O分配。信號和功能如表1所示。

圖1 氣動控制回路原理圖

表1 機(jī)械手控制系統(tǒng)I/O分配及功能說明

3.2 PLC控制系統(tǒng)的與觸摸屏的連接和通信

觸摸屏的選擇非常多樣，可以直接選用德國西門子原裝觸摸屏，也可以采用威綸通、臺達(dá)、、和泉、海泰克、昆侖通態(tài)、顯控、信捷、步科、永宏等國產(chǎn)知名品牌。本項目采用步科MT5500T型觸摸屏，支持2串口同時通訊，可以同步采用不同協(xié)議，連接不同廠家的控制器；允許多個觸摸屏任意組網(wǎng)，支持以太網(wǎng)通訊功能；可以直接采用USB下載，使用戶組態(tài)時的下載速度得到大幅提高。PLC與觸摸屏的通訊直接通過標(biāo)準(zhǔn)的電纜 RS422或 RS232 進(jìn)行連接，通信界面制作采用步科EV5000軟件，設(shè)計較為簡單。

4 結(jié)語

該柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)融合了PLC技術(shù)為核心、氣壓驅(qū)動和觸摸屏控制等，不但能夠?qū)崿F(xiàn)物品的在兩點之間的簡單搬運(yùn)，還滿足了任意選擇傳送過程中物料的旋轉(zhuǎn)方向，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉、工作效率高的特點。在現(xiàn)代機(jī)械、冶金、化工等工程領(lǐng)域有很大范圍的應(yīng)用。同時融入了觸摸屏控制器技術(shù)，將會有廣闊的應(yīng)用前景。

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[2]胡云堂,江卓達(dá).多自由度柔性生產(chǎn)線送料機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動,2011,(6):45~46.

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Realization of control system for flexible manipulator with multi degree of freedom

Wang Wei，Peng Xihua
（Yueyang Vocational Technical College，Yueyang Hunan，414000）

This article introduces a multiple degree of freedom manipulator control system based on Siemens PLC and pneumatic control, and realizes the material grabbing and transmitting of two positions in the flexible automatic production line, with simple structure, reliable performance and low cost, and has strong promotion value

multiple degree of freedom; Flexible Produce; manipulator