搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐榮健

摘? ?要：近年來(lái)，在機(jī)械手的發(fā)展基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)化方面的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、控制、智能等技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的整合，提出了邊工作邊檢測(cè)邊反饋數(shù)據(jù)邊自身修正的設(shè)計(jì)方案。整體化的設(shè)計(jì)思路充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行整體升級(jí)改善，使機(jī)械手逐步向小型機(jī)械人轉(zhuǎn)化。文章對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;氣動(dòng)控制;可編程控制器;自動(dòng)化控制

機(jī)械手（Mechanical Hand）能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能。它在程序的驅(qū)動(dòng)下可以完成各種規(guī)定的動(dòng)作，代替人員的操作。東莞市第一個(gè)“無(wú)人工廠”的開(kāi)建就是100個(gè)機(jī)械手同時(shí)上崗使其變成現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)代生活中“無(wú)人超市”“無(wú)人飛機(jī)”“無(wú)人駕駛”等新名詞出現(xiàn)，改變?nèi)藗兊纳睿院髾C(jī)械手一定會(huì)在各行各業(yè)中出現(xiàn)更多的“無(wú)人……”。機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為：手部、手臂、軀干。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇有4種：電氣驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。控制機(jī)構(gòu)分為點(diǎn)到點(diǎn)的點(diǎn)位控制和線到線的連續(xù)軌跡（直線、圓、拋物線等）控制兩種。機(jī)械手若有6個(gè)自由度，可以抓取空間中任意位置的物體。自由度是評(píng)價(jià)機(jī)械手性能、自動(dòng)化程度、成本等的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越大，機(jī)械手的靈活性越大、功能越多、實(shí)用性越廣，其設(shè)計(jì)、調(diào)試越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。

1? ? 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及其動(dòng)作設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)三維布局如圖1所示，系統(tǒng)中各機(jī)械手的參數(shù)如表1所示。

1.1? 結(jié)構(gòu)和工作原理

該機(jī)械手由鋼型材和鋁型材結(jié)構(gòu)支架部分、電機(jī)和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分、真空部分、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）電控部分等組成，如圖2所示。

1.2? 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

（1）系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)自檢。

（2）如果機(jī)械手沒(méi)有在原點(diǎn)，按下“啟動(dòng)”按鈕或“回原點(diǎn)”按鈕后會(huì)執(zhí)行復(fù)位程序，機(jī)械手會(huì)回到原點(diǎn)。

（3）如果機(jī)械手已經(jīng)在原點(diǎn)，按下“啟動(dòng)”按鈕后系統(tǒng)要先離開(kāi)原點(diǎn)，然后緩慢返回原點(diǎn)，以保證原點(diǎn)的一致性。

（4）真空系統(tǒng)啟動(dòng)，機(jī)械手開(kāi)始下降（動(dòng)作⑤），“縱向運(yùn)行指示燈”亮，當(dāng)吸盤(pán)與板料接觸后，安裝在吸盤(pán)上的接近開(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)出信號(hào)，機(jī)械手停止向下運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間2 s。

（5）吸取板料，延時(shí)1.5 s（動(dòng)作⑥），以便讓吸盤(pán)能夠牢固地吸取到板料，“吸盤(pán)吸取指示燈”亮。

（6）縱向提升板料（動(dòng)作⑦），“縱向電機(jī)運(yùn)行指示燈”亮，當(dāng)垂直上限位開(kāi)關(guān)閉合后停止向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間2 s。

（7）橫向搬運(yùn)板料（動(dòng)作⑧），“橫向電機(jī)運(yùn)行指示燈”亮，當(dāng)橫向運(yùn)行到堆垛方向上的限位開(kāi)關(guān)后，停止橫向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間7 s。

（8）放板料（動(dòng)作①），“縱向電機(jī)運(yùn)行指示燈”亮，“橫向電機(jī)運(yùn)行指示燈”熄滅。

（9）機(jī)械手下降到堆垛上以后，吸盤(pán)上的接近開(kāi)關(guān)閉合，則停止向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行2 s，關(guān)真空泵，“縱向電機(jī)運(yùn)行指示燈”熄滅，延時(shí)1.5 s（動(dòng)作③），以便讓板料和吸盤(pán)間的真空消失，“吸盤(pán)吸取指示燈”熄滅。

（10）提升機(jī)械手（動(dòng)作②），“縱向電機(jī)運(yùn)行指示燈”亮，當(dāng)垂直上限位開(kāi)關(guān)閉合后停止向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間2 s。

（11）橫向回原點(diǎn)（動(dòng)作④），“橫向電機(jī)運(yùn)行指示燈”亮，運(yùn)行時(shí)間7 s。“縱向電機(jī)運(yùn)行指示燈”熄滅。

（12）回到原點(diǎn)后，“橫向電機(jī)運(yùn)行指示燈”熄滅。整個(gè)放料過(guò)程結(jié)束，機(jī)械手等待下一塊板料來(lái)到后，重復(fù)執(zhí)行此過(guò)程。

2? ? PLC控制任務(wù)的設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1? PLC的選型

對(duì)于PLC的選擇，主要考慮如如下4個(gè)方面：（1）I/O點(diǎn)數(shù)。（2）PLC的存儲(chǔ)容量。（3）CPU性能。（4）經(jīng)濟(jì)型。本設(shè)計(jì)中輸入點(diǎn)數(shù)22 PCS、輸出點(diǎn)數(shù)15 PCS，在實(shí)際使用中要考慮后續(xù)的擴(kuò)充、損壞等，所以一般按1.5部以上的控制器點(diǎn)數(shù)選擇;PLC容量在1 000步以上;CPU在性價(jià)比好的情況下越高越好。次要考慮使用環(huán)境、操作方便等。

PLC從美國(guó)通用汽車公司第一次提出該需求，到第二年成功研發(fā)出基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，第一次用了程序化的方式來(lái)控制電氣的工作，后來(lái)爆破式的發(fā)展是在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用的需求越來(lái)越大，研發(fā)的公司越來(lái)越多，技術(shù)越來(lái)越成熟，型號(hào)很多，但是各個(gè)廠家生產(chǎn)的重點(diǎn)有一定區(qū)別，發(fā)展方向也不同，所以必須根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要考慮如何選擇。下面介紹幾家中國(guó)市場(chǎng)上比較主流的公司相關(guān)產(chǎn)品。

德國(guó)西門(mén)子（SIEMENS）公司在中國(guó)機(jī)械制造、電力、醫(yī)療、通信電子等許多行業(yè)中有應(yīng)用，其可靠的電子元器件、便利的操作頁(yè)面、超長(zhǎng)的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)在使用中很受大家的歡迎。日本三菱公司的PLC特點(diǎn)：可靠性高、操作簡(jiǎn)便;豐富的內(nèi)置集成功能;強(qiáng)勁通信能力;豐富的擴(kuò)展模塊;簡(jiǎn)單、易用的Micro/WIN編程軟件。歐姆龍OMRON（中國(guó)）公司的PLC特點(diǎn)是：功能完善的緊湊型PLC，其中SYSMAC CPM1A的大小僅相當(dāng)于一個(gè)PC卡（對(duì)于10點(diǎn)以下的機(jī)型來(lái)說(shuō)），使安裝更加方便，在緊密型的控制柜中是一個(gè)很好的選擇，可以把更多的空間解放給其他結(jié)構(gòu)。

結(jié)合上面幾家產(chǎn)品的特點(diǎn)，就搬運(yùn)機(jī)械手對(duì)PLC功能的要求確定型號(hào)FX1N-60MR。FX1N—60MR完全可以滿足要求，同時(shí)具有較好的性價(jià)比，使用和維修方便。考慮將來(lái)工藝的變化和擴(kuò)展，在滿足使用的要求外，留有一定的余量，確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。日常中經(jīng)常使用三菱公司原F、F1、F2系列PLC產(chǎn)品，其編程指令易懂，培訓(xùn)快，溝通異常通暢。用三菱FX1N做控制核心，采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。

2.2? PLC外部接線圖

PLC外部接線圖的輸入輸出設(shè)備、負(fù)載電源的類型等的設(shè)計(jì)是結(jié)合系統(tǒng)的控制要求來(lái)設(shè)定的。氣動(dòng)機(jī)械手控制外部接線如圖3所示。

2.3? 機(jī)械手控制流程

啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，打開(kāi)氣源開(kāi)關(guān)，接通PLC，氣控回路在PLC的控制下，推動(dòng)氣缸活塞桿實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)和手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。順序地完成下降、夾緊、上升、右行、下降、松開(kāi)、上升、左行等8個(gè)動(dòng)作，按要求循環(huán)進(jìn)行。機(jī)械手的控制流程如圖4所示。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)中應(yīng)用的是真空吸盤(pán)，不同于傳統(tǒng)的機(jī)械手爪，在真空方面的知識(shí)加深的同時(shí)，也認(rèn)識(shí)到了其相對(duì)手爪的優(yōu)勢(shì)。真空吸盤(pán)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、外形美觀、吸持力強(qiáng)等特點(diǎn)。在機(jī)械日益發(fā)展的今天，真空吸盤(pán)設(shè)備將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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