基于PLC控制的5自由度機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

肖國紅， 弓清忠， 紀(jì)志飛

（集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建廈門361021）

0 引 言

機(jī)器人作為很具代表性的一種機(jī)電一體化設(shè)備，最近幾十年得到了迅速發(fā)展，在自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。機(jī)械手作為最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，可以顯著提高自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常需要根據(jù)應(yīng)用對(duì)象有針對(duì)性地進(jìn)行開發(fā)，為提高工程技術(shù)人員的開發(fā)能力，在本科教學(xué)階段都安排有一定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[3]。由于經(jīng)費(fèi)投入少、學(xué)生數(shù)量多等原因，目前很多實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托集成化的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往通過信號(hào)燈或仿真軟件顯示，難以達(dá)到真實(shí)的效果，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

基于上述不足，開發(fā)了一種基于PLC控制的5自由度機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過調(diào)整抓取工件的位置，修改PLC程序來鍛煉學(xué)生的開發(fā)能力，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由PLC控制的5自由度機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)底座旋轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)、手爪旋轉(zhuǎn)、手爪抓取等動(dòng)作，達(dá)到在指定位置取放工件的目的。機(jī)械手樣機(jī)模型和實(shí)物圖如圖1所示。

在該系統(tǒng)中，底座通過螺紋固定在一定高度的工作臺(tái)上，底座內(nèi)裝有旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。在旋轉(zhuǎn)底座上，垂直方向安裝有1根絲桿，通過絲桿上方電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在垂直方向的上下移動(dòng)，與絲桿平行安裝2根立柱起支撐作用。同樣，在水平方向也安裝旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、絲桿及支撐柱，實(shí)現(xiàn)水平方向的左右移動(dòng)。在末端，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)在0°～90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可根據(jù)工件取放時(shí)的位置調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度。最末端是手爪，在氣缸的帶動(dòng)下手爪張合，完成工件的取放動(dòng)作。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在PLC控制的機(jī)械手硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最重要的是選擇合適的PLC、正確的I/O口設(shè)計(jì)和接線[4]。

2.1 PLC選型

綜合考慮要求達(dá)到的性能、設(shè)備成本和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可擴(kuò)展性，該設(shè)計(jì)的PLC選用三菱FX2N-48MR型號(hào)。該型PLC有48個(gè)I/O口，輸入電壓為24 V，具有體積小、可靠性高、易操作的特點(diǎn)[5]。

2.2 PLC的I/O口地址分配

根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的要求，對(duì)PLC的I/O口地址分配如表1所示。

圖1 5 自由度機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 機(jī)械手的PLC控制I/O地址分配表

2.3 PLC的I/O接線

5自由度PLC控制系統(tǒng)的I/O接線圖如圖2所示，輸入回路使用DC 24 V電源，由PLC內(nèi)部提供，輸出回路外接AC 220 V電源，對(duì)每個(gè)輸出繼電器及公共COM1和COM2采用PLC內(nèi)部的DC 24 V供電。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)的I/O 接線圖

2.4 電動(dòng)機(jī)的接線圖

5自由度機(jī)械手包含4個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，分別是底座旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（旋轉(zhuǎn)范圍0°～180°）、手爪旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（旋轉(zhuǎn)范圍0°～90°）、水平方向旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、垂直方向旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。水平和垂直方向的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)能連續(xù)旋轉(zhuǎn)直到運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的位置。前2種電動(dòng)機(jī)和后2種的旋轉(zhuǎn)范圍不同，采用的控制方式不一樣，接線的方式也不同。

1）底座和手爪電動(dòng)機(jī)的接線方式如圖3所示。

圖3 底座和手爪電動(dòng)機(jī)的接線圖

2）水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的接線方式如圖4所示。

3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

考慮到該機(jī)械手主要用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，所以設(shè)計(jì)了自動(dòng)循環(huán)和單步動(dòng)作。自動(dòng)循環(huán)實(shí)現(xiàn)將工件從一個(gè)位置抓取到另一個(gè)位置，可驗(yàn)證機(jī)械手的運(yùn)行穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)合理性等。單步動(dòng)作的每步通過觸摸屏軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)，程序的執(zhí)行狀態(tài)也在觸摸屏上顯示，可驗(yàn)證PLC程序的正確性，加深學(xué)生對(duì)PLC程序運(yùn)行的理解。

圖4 垂直和水平電動(dòng)機(jī)接線圖

圖5 自動(dòng)循環(huán)的PLC 梯形圖

3.1 自動(dòng)循環(huán)

假設(shè)需要將工件從一定高度和角度的一個(gè)位置自動(dòng)循環(huán)地抓取到另一個(gè)位置，以M101作啟動(dòng)寄存器、M102為停止寄存器，循環(huán)過程為：1# 自檢垂直上升→2# 自檢垂直下降→3#垂直上升→4#自檢水平伸長(zhǎng)→5#自檢水平縮短→6#水平縮短→7# 底座回原點(diǎn)→8#手爪左轉(zhuǎn)→9#抓緊取物→10#夾緊延時(shí)→11#垂直上升→12#水平縮短→13# 底座右轉(zhuǎn)→14#手爪右轉(zhuǎn)→15#停穩(wěn)→16#卸料→17#卸料等待→18#爪左轉(zhuǎn)→19#底座左轉(zhuǎn)→20#水平伸長(zhǎng)→21#垂直下降→22# 停穩(wěn)。該流程的梯形圖如5所示（因篇幅原因，僅給出主要的程序），其中：M表示PLC的內(nèi)部寄存器；T表示時(shí)間寄存器。

3.3 單步動(dòng)作

單步動(dòng)作通過觸摸屏軟開關(guān)手動(dòng)控制，通過單步的PLC程序能實(shí)現(xiàn)手爪左右轉(zhuǎn)動(dòng)、底座左右轉(zhuǎn)動(dòng)、水平軸伸縮、垂直軸升降、一鍵控制底座右轉(zhuǎn)到設(shè)定值等動(dòng)作，動(dòng)作過程在觸摸屏上顯示，分別如圖6～圖11所示。圖6中，白色方框內(nèi)的表示PLC中對(duì)應(yīng)的元件，實(shí)際中不會(huì)顯示，圖6中上部的半圓形表示底座旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度。圖7～圖11中的M和T分別表示PLC 的內(nèi)部寄存器和時(shí)間寄存器。

圖6 觸摸屏顯示圖

圖7 底座手動(dòng)PLC 梯形圖

圖8 水平方向手動(dòng)PLC 梯形圖

圖9 垂直方向手動(dòng)PLC 梯形圖

圖10 手爪轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊手動(dòng)PLC 梯形圖

4 結(jié) 語

開發(fā)了一種基于PLC控制的教學(xué)用5自由度機(jī)械手，不僅可以幫助學(xué)生完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且通過讓學(xué)生實(shí)際參與開發(fā)過程，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果，同時(shí)也為以后學(xué)生實(shí)際工作中進(jìn)行開發(fā)打下牢固基礎(chǔ)。

圖11 手爪卸料手動(dòng)PLC 梯形圖