基于PLC控制的翻轉裝配機器人的設計與研究

楊要恩　劉明治　王志偉

摘 ?要： 針對傳統的車架裝配翻轉機往往只是通過千斤頂等簡單的鎖鏈捆綁進行作業，導致安全系數低及費時耗力的不足，設計一種新型任意角度大小可控的翻轉裝配機器人。依據所裝配車架大小各異的特點設計該裝備的可調整大小夾取機構，并采用PLC控制模塊對紅外傳感器及無線收發模塊進行控制系統設計。對所設計的翻轉裝配機器人進行實驗研究，結果表明，該翻轉機器人可以完成對大小不同車架的抓取、抬升和旋轉等任意角度可控的裝配工作，實現更高效、更安全、更方便的裝配工作任務。

關鍵詞： 機器人; 翻轉裝配; PLC控制; 遠程控制; 控制系統設計; 實驗分析

中圖分類號： TN876?34; TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）24?0005?03

Design and research of flip assembly robot based on PLC control

YANG Yaoen1，2， LIU Mingzhi1， WANG Zhiwei2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xidian University， Xian 710071， China;

2. Department of Rail transportation， Shijiazhuang Institute of Railway Technology， Shijiazhuang 050043， China）

Abstract： In allusion to the fact that the traditional frame assembly flip machine often works with the simple chain binding such as Jack， which results in the shortages of low safety factor， long time?consumption and much labor?consumption， a new type flip assembly robot with controllable arbitrary angular change is designed. The clamping mechanism with adjustable size is designed according to the feature of different sizes of the assembled frame， and the control system of infrared sensor and wireless transceiver module is designed by means of the PLC control module. The experimental research on the flip assembly robot was performed. The results show that the flip robot can complete the assembly work of grabbing， lifting and rotating the frames with different sizes at any angles， and can complete the assembly task more efficiently， more safely and more conveniently.

Keywords： robot; flip assembly; PLC control; remote control; control system design; experimental analysis

0 ?引 ?言

目前常用的裝配車架翻轉機功能一般單一且固定不變，存在很大的限制，面對產業鏈的擴大，傳統的翻轉機器并不能應對市場的復雜且多樣性需求。傳統的翻轉機翻轉角度有限，且有部分翻轉機只能針對與其相匹配的車架進行翻轉，工人在作業中只能采取僵硬的操作姿勢進行加工，長此以往，傳統的翻轉機就需要一些新型的技術加以應用升級。新型的翻轉機器人在材料、結構、技術等方面都被優化，在面對現代企業生產結構里因翻轉機器而造成的困擾都顯得游刃有余，面對各種復雜問題就要求翻轉機滿足相應的移動簡單、角度多面等優點。此外，新動力的注入可以使技術人員在進行加工的時候省時省力，且打破了多年以來技術人員只能采取僵硬的姿勢來疲勞操作的難點，新型翻轉機器人足以為技術人員提供各種最為理想的加工方式[1?4]。

1 ?新型翻轉機器人總體設計

一般而言，機器人的總體設計結構由機械部分、控制部分和傳感部分共同組成，而該翻轉機器人的總體設計同樣以這三大部分作為骨架來支撐起翻轉機器人的各個功能的相關任務。機械部分是參考機械力學如何施加力的情況下，設計機械結構給受力物體施加合理的機械力，從而使得物體能夠完成抓取、旋轉等作業需求，并支撐起翻轉機器人的基礎框架和執行相關任務。控制部分是翻轉機器人的最為重要的核心，這個部分是進行翻轉機器人的信號接收和發送，來協調各個功能的運行完成作業任務，而控制系統設計的好與壞直接關系到翻轉機器人能否正常運行以及作業的精度和整體的性能。傳感部分主要是通過使用多個紅外傳感器來反饋翻轉機器人的運行狀態和確定翻轉機器人的位置。紅外傳感器是一種檢測裝置，其能夠感受被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的輸出信息，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、記錄和控制等需求，通過機械、控制和傳感這三個部分之間的相互協調，從而實現了翻轉機器人的所有功能。本文設計的新型翻轉機器人，以PLC控制機為核心控制器，通過對PLC控制程序的逐步運行對伺服電機下達正反的轉動命令，從而使翻轉機器人實現相關操作動作和功能。翻轉機器人可以通過與WiFi模塊的通信，實現基于使用觸控面板進行人為的對翻轉機器人行為的干預與監控[5?7]。圖1為新型翻轉機器人總體設計。

該翻轉機器人按照功能分為4個模塊：無線通信部分主要是通過WiFi模塊和觸控面板共同組成，其主要功能是通過觸控面板手動輸入指令使翻轉機器人停止運行或開始運行，WiFi模塊接收指令后與PLC控制機進行通信，PLC控制機控制伺服電機接通或斷開電源，最后由伺服電機的正反轉完成翻轉機器人的抓取、抬升、翻轉的任務。電源模塊主要是為翻轉機器人提供220 V或380 V三相交流電，可以使翻轉機器人持續工作長達24 h。

2 ?新型翻轉機器人機械部分設計

2.1 ?抬升部

設計使用到1部電動機、4個輪槽、2條鋼索、2條導軌槽、1根軸以及1個升降板。將電動機通過軸把2個輪槽連接到一起，使得電動機轉動的同時通過軸帶動輪槽一起運動。將2個輪槽按一定的間距安裝到機體頂部，為鋼索連接升降板提供中間支撐部分。在升降板頂部焊接有2個鋼索連接口用來固定鋼索，將升降板嵌入導軌槽，為升降板提供一個固定運動方向的支撐。最后使用鋼索連接電動機兩邊的輪槽經頂部輪槽連接到升降板，用物理拉升力最終來實現車架的抬升。結構見圖2。

2.2 ?夾取部

使用到1部電動機、3個齒輪、2根軸和2個夾子。在電動機上安上1個齒輪，與2個焊有齒輪的軸相互裝配，再將軸連到2個夾子上。當電動機正向轉動時，2個夾子對向繞軸轉動將夾子張開，當電動機反向翻轉時，2個夾子閉合，給物體施加壓力，最終實現物體的爪取。結構如圖3所示。

2.3 ?旋轉部

使用到1部電動機、1根軸。首先在升降板上鉆取一個和軸相同尺寸的孔，使軸有一定的間隙可以穿過并進行旋轉，再將電動機連接到軸上并與升降板固定，而軸的另一端將機械爪的后部與軸焊接。當電動機運行時帶動軸，軸上的機械爪便開始工作。

3 ?翻轉機器人的控制與實現

本文設計的新型翻轉機器人為了實現自動化的運行，翻轉機器人的控制系統采用了PLC在伺服電機中的應用。對于系統細節的有效處理，則主要涉及PLC與伺服電機兩個方面。伺服電機作為伺服系統的核心，其主要負責能量轉換工作，因此相對于其他電機而言，其需要具備轉換效率高、結構簡單等特點。伺服電機又稱為執行電機，在自動控制系統中作為執行環節，其能夠根據相應的指令控制信號等，調整和優化機器的運行速度及方向[7?10]。

該翻轉機器人配有紅外傳感器可時刻定位翻轉機器人的狀態。觸控面板可以下達運行指令同時監控翻轉機器人的運行狀態，通過WiFi模塊向PLC控制機通信，然后利用紅外傳感器協助各個伺服電機進行初始化定位。

在翻轉機器人的機架和機械爪上裝配有多臺紅外傳感器，當檢測到車架進入后，將信號傳給PLC控制機，控制機經過對程序梯形圖的計算后，抬升伺服電機進行正反轉執行下降、升起的指令;當機械爪與車架對齊時，傳感器反饋信息給PLC控制機，控制機給伸縮伺服電機通電使其正反轉執行機械爪的前進或后退指令;當機械爪接觸到車架時，其傳感器信息反饋給PLC控制機，控制機給抓取伺服電機通電，使其正反轉執行抓取指令;當抓取到車架，PLC控制機收到反饋信息，最后控制機對旋轉伺服電機給電，使其正反轉，讓翻轉機器人最終執行旋轉指令。

而在此期間工作人員可以通過觸控面板進行監控翻轉機器人的運行，如果運行中發現問題，可通過WiFi模塊給PLC控制機下達停止指令，否則此前的運行指令將反復按PLC程序梯形圖運行，便可完成一個流水線生產的自動化工作任務。圖4為翻轉機器人控制流程圖。

3.1 ?翻轉機器人自檢

當翻轉機器人接通220 V或380 V的三相交流電，翻轉機器人會啟動自檢，紅外傳感器配合PLC控制機時刻保持通信，而PLC控制機同時給抬升、抓取、伸縮和旋轉伺服電機通電，使其運行。紅外傳感器會將翻轉機器人的升降板位置和機械爪的狀態反饋給PLC控制機，控制機經過運算后將翻轉機器人的初始位坐標及機械爪輸出狀態的數據下發給伺服電機，伺服電機接收到控制機的信息后就運行到指定坐標完成自檢，等待車架進入運行程序。

3.2 ?翻轉機器人運行過程

當車架進入工作區間，PLC控制機控制抬升伺服電機正轉，電機正轉使鋼索放松升降板靠自身重量緩慢沿著導軌槽下降，升降板下降到與車架平行時會碰到紅外傳感器，傳感器反饋信息給PLC，PLC把抬升電機的電斷開使升降板停止;PLC同時給伸縮電機供電，伸縮電機正轉推動機械爪向前運行，當車架撞到機械爪內側的傳感器，伸縮電機停止運行，抓取電機得電，正轉機械爪向內收緊。本文新型設計的翻轉機器人的機械爪的爪頭上安裝有壓力傳感器，當機械爪對車架造成的壓力到達設定值時，信息被反饋給PLC，PLC便會斷開抓取電機的供電。抓取完成后抬升電機得電反轉拉緊鋼索帶著升降板上升，使車架離地;然后PLC給旋轉伺服電機供電，電機正轉車架每次緩慢旋轉15°直到旋轉360°停止;最后抬升電機得電，正轉緩慢把車架放回地面，抓取、伸縮和抬升電機以不同的速度同時運行返回初始位置。

4 ?結 ?論

本文提出一種新型翻轉裝配機器人，總體設計上由機械部分、控制部分、傳感部分共同支撐起了翻轉機的骨架，其機械部分主要包括車架和底盤翻轉機構、升降機構。通過PLC控制機、紅外傳感器和伺服電機間的相互協調一步一步地完成翻轉機器人的抓取任務、抬升任務和翻轉任務。該設備技術可使汽車配件平穩上升，并實現翻轉，以滿足不同車型、不同角度的加工需求，對車架車體進行夾緊、旋轉和升降，可以很好地協助工作人員對車架車體進行裝配、拆解以及維修等。并能根據翻轉機器人在不同的場合下使用，不斷地調整翻轉機器人的硬件結構和軟件環境，使得翻轉機器人在任意角度可以完全受控。

研究結果表明，該翻轉機器人可以代替傳統翻轉機的使用，同時也可以避免鎖鏈吊轉車架和地溝作業的風險，只需通過WiFi通信和觸控面板的監控以及人為控制便可完成作業，其實用性強，具有重要的理論意義和實際應用價值。但還存在幾方面需要完善：

1） 雖然機體采用了鏤空的設計結構，對機體進行了輕量化處理，但是機體還是看上去非常笨重;

2） 在翻轉機器人抓取車架后進行的抬升過程中，升降板和機械爪受到較大的重量，所以材料的選擇非常的重要，既要考慮材料的堅韌性又要考慮成本價格。

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作者簡介：楊要恩，女，博士，副教授，研究方向為物聯網技術、機器人技術及測試技術等。