基于PLC的氣動搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張君艷

0 引言

機(jī)械手是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，由于它可代替人在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中進(jìn)行正常的工作，所以廣泛應(yīng)用在化工、機(jī)械制造、電子生產(chǎn)、冶金以及輕工業(yè)等部門[1]。在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，無論是單機(jī)還是組合機(jī)床，以及自動生產(chǎn)流水線，都要用到機(jī)械手來完成工件的取放，對機(jī)械手的控制主要是位置識別、運(yùn)動方向控制和物料是否存在的判別。然而搬運(yùn)機(jī)械手的種類很多，按驅(qū)動方式可分為液壓式、電動式、氣動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。由于氣動搬運(yùn)機(jī)械手無環(huán)境污染，其開發(fā)和設(shè)計(jì)越來越被人們所關(guān)注，氣動搬運(yùn)機(jī)械手最核心的部分是執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用電氣動系統(tǒng)來驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)通過三菱PLC編程來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，這里介紹基于三菱PLC的氣動搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 氣動搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理

圖1 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

氣動搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由機(jī)械手指、機(jī)械手臂、懸臂，旋轉(zhuǎn)氣缸等部分組成。機(jī)械手的終端是一個氣動手指，其夾緊和放松由一個兩位五通雙控電磁換向閥來驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，工件的夾緊與否是通過壓力傳感器來進(jìn)行判斷。氣動手指安裝在機(jī)械手臂上，機(jī)械手臂為單個活塞桿的雙作用直線氣缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的上升和下降，手臂由兩位五通的雙控電磁換向閥來驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，上升和下降的極限位置分別由安裝在氣缸上的磁感應(yīng)傳感器來檢測；機(jī)械手臂由連接件安裝在機(jī)械懸臂上，懸臂是雙活塞桿的雙作用直線氣缸，其通過兩位五通的雙控電磁換向閥來驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，懸臂的伸出和回縮極限位分別由嵌在氣缸卡槽內(nèi)的磁感應(yīng)傳感器來檢測；懸臂安裝在旋轉(zhuǎn)氣缸的輸出軸上，由旋轉(zhuǎn)氣缸來帶動機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，為了滿足機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)任一旋轉(zhuǎn)工作位的停止，采用了一個三位五通的雙控電磁換向閥（中位機(jī)能為0型）來驅(qū)動；從而可以控制機(jī)械手的多個旋轉(zhuǎn)工作位，旋轉(zhuǎn)的極限位由兩個電感式傳感器來判斷，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由阻擋器來進(jìn)行緩沖處理，防止機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生剛性碰撞。整個氣動搬運(yùn)機(jī)械手通過采用壓縮空氣作為傳動介質(zhì)，可以完成機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手懸臂的伸出和回縮、機(jī)械手臂的上升和下降、機(jī)械手指的夾緊和松開等多個自由度的運(yùn)動[2]。其氣動回路圖參見圖2所示。系統(tǒng)所需要的工作氣壓靠氣動三聯(lián)件控制在0.6～0.8 MPa之間。

圖2 機(jī)械手氣動回路圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制元件選型

根據(jù)氣動搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)功能和控制系統(tǒng)的要求，機(jī)械手輸入采集信號為10個，再加上開關(guān)控制信號2個，共12個輸入信號；線圈的驅(qū)動信號為8個，共8個輸出信號，根據(jù)輸入和輸出信號以及考慮預(yù)留量，選用三菱FX2N-32MR的PLC，繼電器輸出形式。又因?yàn)闅鈩影徇\(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)要求精確定位，故采用德國FESTO公司的氣缸（帶有位移傳感器），三位五通雙控電磁閥型號為CPE10-M1BH-5/3G，兩位五通雙控電磁閥型號為CPE10-M1BH-5J[3]。

2.2 PLC輸入輸出地址表和電氣原理圖

氣動搬運(yùn)機(jī)械手的裝置保護(hù)電路為起保停自鎖控制電路，如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急故障，只要按下急停蘑菇頭按鈕就可以切斷整個機(jī)械手的電源，此保護(hù)回路與PLC的電氣原理圖分開設(shè)計(jì)，這里不再詳述。根據(jù)氣動搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和氣動回路原理圖中四個電磁閥和氣缸的檢測信號分析繪制輸入輸出地址表如下，參見表1。根據(jù)輸入和輸出地址表進(jìn)行PLC電氣原理圖的設(shè)計(jì)，PLC電氣原理圖參見圖3所示。

表1 搬運(yùn)機(jī)械手PLC輸入和輸出地址表

圖3 PLC電氣原理圖

2.3 PLC編程設(shè)計(jì)

由于PLC編程指令非常強(qiáng)大，功能指令很多，在編程設(shè)計(jì)時(shí)，編寫程序比較容易，非常方便實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)[4]；PLC的編程方法有很多種，本文采用三菱PLC的Gx軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)程序之前要先根據(jù)氣動搬運(yùn)機(jī)械手的控制要求編寫工藝流程圖，參見圖4。氣動搬運(yùn)機(jī)械手編程設(shè)計(jì)包含設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全保護(hù)程序，系統(tǒng)的初始化程序[5]，系統(tǒng)復(fù)位程序，氣動搬運(yùn)機(jī)械手的模式選擇程序，氣動搬運(yùn)機(jī)械手的控制順序程序等部分，其中系統(tǒng)的初始化程序是氣動搬運(yùn)機(jī)械手動作之前必須滿足初始化條件，即旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)到工件被搬運(yùn)點(diǎn)，懸臂氣缸回縮到位，手臂氣缸上升到位和手指氣缸放松到位；氣動搬運(yùn)機(jī)械手的模式選擇分為點(diǎn)動調(diào)試控制、單周期運(yùn)行模式和循環(huán)模式（含暫停和完全停止控制），氣動搬運(yùn)機(jī)械手的控制順序程序?yàn)橹鞒绦颍鞒绦蚴菍?shí)現(xiàn)將工件從指定的地點(diǎn)搬運(yùn)到需要的地點(diǎn)進(jìn)行加工或分揀，按照工藝流程圖的要求利用步進(jìn)指令來編寫完成[6]。

圖4 氣動搬運(yùn)機(jī)械手工藝流程圖

2.4 氣動搬運(yùn)機(jī)械手安裝與調(diào)試驗(yàn)證

氣動搬運(yùn)機(jī)械手安裝完畢以后，在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)調(diào)試操作前需要進(jìn)行操作如下：（1）電源控制柜內(nèi)的總空氣開關(guān)打到ON；氣動搬運(yùn)機(jī)械手的急停保護(hù)按鈕旋開；（2）確認(rèn)空壓站系統(tǒng)氣壓已達(dá)到6 MPa以上且穩(wěn)定；保證系統(tǒng)所需要的工作氣壓靠氣動三聯(lián)件控制在0.6～0.8MPa之間，安全保護(hù)裝置的緊急停止電路處于解除狀態(tài)；（3）先選擇點(diǎn)動調(diào)試，依次按下點(diǎn)動按鈕，分別對每個氣缸按照動作順序進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試；（4）點(diǎn)動調(diào)試結(jié)束后，進(jìn)行單周期調(diào)試，無任何故障，連續(xù)順序動作的調(diào)試無故障。如果系統(tǒng)中有故障現(xiàn)象，上電成功后先按一下“異常復(fù)位”按鈕，當(dāng)整體不存在異常時(shí)，設(shè)備按照工藝運(yùn)行，調(diào)試完成。注意若發(fā)生任一故障，必須等故障排除之后，重新按下“復(fù)位”按鈕，程序才能將故障信號解除，否則系統(tǒng)仍然不能啟動。

3 結(jié)論

氣動搬運(yùn)機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用[7]。基于PLC的氣動搬運(yùn)機(jī)械手通過安裝與調(diào)試驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，方案可行，實(shí)物結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動平穩(wěn)可靠、性價(jià)比高、易于控制和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)踐過程中，機(jī)械手具有可以模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作等很多優(yōu)點(diǎn)，既減輕了工人的勞動強(qiáng)度，又節(jié)約了人力資源，實(shí)用性較高，用途廣泛[8]；將其應(yīng)用在自動生產(chǎn)線和柔性化生產(chǎn)中，不僅可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，而且可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)等，應(yīng)用前景非常大。