特種加工液壓驅動搬運機械手控制系統設計

胡 煒，祝錫晶，馬 愷

（1.中北大學 機械工程學院，太原 030051；2.華沙理工大學 航天與動力工程學院，華沙 00742）

0 引言

大型機械手的迅速發展很大程度上源于人們對其積極意義的理解和認知，它既能部分甚至全部地代替人工操作，減少人力勞動強度，使勞動力解放，便于生產的工業和節奏化；另外又可根據生產工藝的要求，按照一定的程序、時間和地點來完成工件的轉移和卸載，這有利于極大提高工作效率、有力保證了工作精度的準確性，因此在機械加工、沖壓、鑄造、焊接、熱處理、電鍍、涂漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等方面得到越來越廣泛的運用[1,2]。在現階段，機械手的驅動形式主要有電機驅動、氣壓驅動和液壓驅動三種主流方式[3]。對于在特種加工環境下的作業，液壓驅動結構緊湊、密封性好、控制和調節簡單、動態性能優良，兼具無級調速、快速啟動、制動和頻繁換向的特點，很容易獲得更大的力和轉矩[4,5]。與此同時，當前市場的液壓元件早已實現了通用化和標準化的制造標準，這就使得目前液壓系統的設計、制造和使用在很大程度上變得相對方便。再接入可編程控制器PLC，結合傳感器，可以對液壓驅動機械手的位移、運動方向實現更加精確的控制[6]。PLC與液壓驅動的聯合控制，有利于解決對傳統搬運效率低、易受環境條件限制等缺點。文中在分析搬運機械手工作流程的基礎上，提出了一種基于PLC的液壓驅動系統，旨在滿足高效、便捷、安全、高精度等性能要求[7]。

1 機械手結構分析

圖1 機械手結構示意圖

文中設計四自由度搬運機械手，坐標形式為圓柱坐標，由手爪、手腕、手臂（大臂和小臂）、立柱、底座以及驅動系統和控制系統組成，其結構示意如圖1所示。工作流程為：初始時刻位于原點位置的機械手狀態為手臂上升和手爪松開，當進入工作狀態時，機械手臂反向旋轉到物料傳送帶上方并下降，由機械手爪抓取工件；待工件抓穩后，機械手臂進行上升、回縮隨即正向旋轉，再經過下降將工件置于加工傳送帶，手爪隨即松開工件，通過上升手臂使機械手回到原點位置，下一個工作周期開始。

2 驅動系統設計

考慮到工作環境的特殊性，故采用結構簡單、質量輕、驅動力大、密封性能好的液壓傳動裝置作為文中機械手的驅動方式，以實現機械手腕的旋轉，手臂的伸縮、旋轉和升降，根據機械手的功能要求分析，以2臺液壓缸和2臺液壓馬達作為執行元件，其中，手腕旋轉、手臂旋轉的執行機構采用液壓馬達，手臂的升降、伸縮以及手爪夾緊與放松的執行機構采用液壓缸。另外，在換向方面，系統對換向的平穩性要求不高，所以液壓換向回路采用價格比較低的三位四通閥控制，用來實現控制機械手的升降以及收縮動作，驅動系統的設計如圖2所示。

2.1 液壓缸的計算

液壓缸是液壓執行機構，將液壓能轉變為機械能并執行直線往復運動（或擺動運動）[8]。缸筒和活塞桿是液壓缸的重要結構組成，缸筒和活塞桿的選擇直接影響著液壓傳動的效率。液壓缸缸筒內徑：

式中，P為活塞承受的最大推力，N；η為油缸的機械效率；為液壓缸的進、出油腔的壓力差，MPa。

活塞桿直徑：

液壓缸缸筒長度：

根據相關參數的選取結合上述式子，可計算得到：手臂的伸縮缸內徑D1，缸筒長L1，活塞桿直徑d1；手臂的升降缸內徑D2，缸筒長L2，活塞桿直徑d2。

2.2 液壓馬達的選擇

文中機械手要求旋轉速度不高于500r/min，所以機械手的液壓系統的執行機構選擇低速液壓馬達。表1所示為外五星YLM系列徑向柱塞液壓馬達型號及性能。結合實際要求，手臂選用液壓馬達型號YLM16-1800，手腕選用液壓馬達型號YLM16-1600。

表1 外五星YLM系列徑向柱塞液壓馬達型號及性能

3 控制系統設計

可編程控制器以其順序控制的獨特性仍在工業控制中占主要地位，放眼所有的工業控制體系中順序控制是工控最不能缺少的重要環節，幾乎任何一個過程控制和生產管理的實現都需要步驟化和程序化作為基礎，使得執行路線均是按照規定路線一步步進行，這種控制任務的完成方式既能讓大多數人接受，亦能提高設計效率。

3.1 硬件設計

文中機械手應用于自動生產流水線，可以由程序控制其自動運行，但是考慮到在執行過程中可能會發生不可預料的問題，因此設置了手動運行模式，可以在必要時要通過手動操作，按照要求改變機械手在執行過程中發生的位移誤差，使之具有較好的靈活性。除此以外，文中機械手PLC控制系統需要檢測大臂升降與小臂伸縮時的線位移和速度、夾緊工件時的壓力檢測以及大臂與手腕旋轉的角位移和轉動速度，并且要求實現較準確控制，所以設置相應的光柵傳感器、壓力變送器和旋轉編碼器。

文中設計共有24路輸入、11路輸出，共計35點，為了使其具有更強的模擬和高速計數處理能力，且不添加新的擴展模塊，因此選用S7-200系列CPU226。表2和圖3分別為可編程控制器的輸入輸出信號地址分配表和外部接線圖。

表2 可編程控制器的輸入/輸出信號地址分配表

圖3 可編程控制器外部接線圖

3.2 主程序設計

文中機械手的PLC程序包括主程序和子程序，其中子程序包括復位程序、手動程序以及自動程序。主程序梯形圖如圖4所示。SM0.1指令指的是當PLC接通電源，首次掃面為1，復位程序接通，完成程序初始化，但是僅此接通一次；與SM0.1不同的SM0.0指令指的是PLC運行時就伴隨著SM0.0一直接通，如果此時按下選擇開關，常閉開關選擇開關則會斷開，從而接通手動子程序，反之，一直接通自動子程序。

圖4 主程序設計

4 仿真分析

為了驗證文中機械手控制系統的可行性，利用PLC（S7-200）平臺對一個周期內的自動程序進行了仿真分析，通過仿真運行文中設計的控制系統，可以直觀反映出該系統性能的好壞。此次仿真測試主要針對運行過程的某一個周期內機械手完成的所有動作，從而判斷程序的編寫是否合理，如果執行某一動作的程序編寫有誤，系統會自動報警，停止下一程序的運行，如果程序編寫正確，則自動進入下一執行程序運行。該自動程序中涉及到數次上升和正轉。

圖5 自動控制周期仿真圖

從上述仿真結果來看，文中機械手在自動控制時可完成大臂上升，大臂正轉，小臂伸長，手爪夾緊，大臂反轉，手爪放松，小臂縮短，大臂反轉等動作，符合所選周期內機械手完成的預期動作，充分論證了文中機械手的控制設計的可行性。

5 結束語

搬運機械手的設計有效克服了工作環境的特殊和艱難，間接地保護了操作人員的身體安全。文中利用液壓驅動作為搬運機械手關鍵部位的動力源，極大的提高了機械手的承重和搬運效率；同時基于可編程控制器PLC以S7-200為控制核心，不僅獲得了高精度的控制效果，而且極大的簡化了編寫功能和操作步驟，實現了穩、快、簡的執行模式。文中搬運機械手同時設置手動和自動控制模式，可以實現特殊要求下對機械手始末位置的改變，突出了設計的靈活性。從驅動系統的設計到基礎硬件的選擇再到程序設計以及程序仿真，通過對搬運機械手各部分機構的運動過程分析，表明該控制系統操作簡單、靈活度高，運行過程更加精確可靠，對特種加工的全面智能化和自動化的發展有著深遠的意義。同樣，所涉及的控制方法亦適用于化工、環保、消防、醫療等行業，應用前景廣闊[9～11]。