新型機(jī)電一體化運(yùn)煤機(jī)械手的PLC 控制設(shè)計(jì)的分析

李舒帆，徐勝

（佛山市三水區(qū)理工學(xué)校，廣東佛山，528137）

1 運(yùn)煤機(jī)機(jī)械手基本工作原理

搬運(yùn)機(jī)械臂的基本構(gòu)造見圖1。

圖1 運(yùn)煤機(jī)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

搬運(yùn)機(jī)械手的基本工作流程是：搬運(yùn)機(jī)械手通過伸縮大臂液壓缸，對(duì)大臂起到帶動(dòng)作用，使大臂相應(yīng)地上升或下降；小臂在小臂液壓缸的帶動(dòng)下，把裝貨機(jī)器人的手腕放在需要的位置。基于這個(gè)原理，可以通過使腕部伸出的液壓缸在一定程度上驅(qū)動(dòng)腕部，來完成抓拍的基本操作。動(dòng)臂的液壓缸如此收縮時(shí)，動(dòng)臂就會(huì)產(chǎn)生特殊的驅(qū)動(dòng)作用，相應(yīng)地起升落。當(dāng)當(dāng)前臂液壓缸收縮時(shí)，前臂與輸送機(jī)器人腕帶有對(duì)應(yīng)的推進(jìn)作用。這時(shí)，將腕部液壓缸拉出，完成基本的煤洞工作。搬運(yùn)機(jī)械手需要循環(huán)重復(fù)地進(jìn)行上述抓煤和放煤動(dòng)作，借助PLC 編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)這一系列循環(huán)動(dòng)作的有效控制。

2 運(yùn)煤機(jī)機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

指與物體接觸的部位。按接觸物體的形狀，手可分為握力和吸力兩大類。為提高機(jī)械手的多功能性，可對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行互換。若夾緊的工件為柱形刀架，則使用機(jī)械手的手來完成其它工作。制作方便，可廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。夾持型工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)夾持型工件直徑波動(dòng)較大的工件，其夾持型工件直徑波動(dòng)對(duì)工件軸線位置無影響。指狀結(jié)構(gòu)依賴于物體表面的形狀、外部輪廓或孔洞，以及物體的重量和尺寸。常用來制作扁平、成型、彎曲手指，有外支架、內(nèi)基座、兩指。有不同類型的動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)，如滑桿、楔桿、齒輪齒條、彈簧桿等。

■2.2 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臂是操作手的主要部分，同時(shí)也是支撐手和手腕的關(guān)鍵部位，手和手腕是手握的對(duì)象。雙手的作用就是握住物體，并按給定要求將其移至指定位置。該機(jī)械手的手臂有4 個(gè)自由度：伸展臂和收縮臂，根據(jù)固定工件的要求，抬起前臂，從一邊轉(zhuǎn)向另一邊，并抬起立柱。上肢的構(gòu)造應(yīng)該盡可能輕，以達(dá)到靈活、快速的移動(dòng)。節(jié)省材料和動(dòng)力，同時(shí)減小運(yùn)動(dòng)沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力和偏重力矩的計(jì)算。

■2.3 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座是操縱器的底座，并且操縱器的各種部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在支撐操縱器全部重量的底座上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)剛度好，占用空間小，操作維護(hù)方便，造型美觀。底座按其形狀可分為土型、懸吊型、固定型、動(dòng)動(dòng)型、步態(tài)型。不管形狀如何，操作人員在工作時(shí)必須固定底座。而在具體的機(jī)械臂中，前部和控制的部分一般都是分開進(jìn)行設(shè)置的，使得底座比較簡單或者沒有。一般的機(jī)械手柄上，齒輪箱通常位于機(jī)架的內(nèi)部或背面，控制單元位于底座的背面或獨(dú)立的控制箱內(nèi)。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上使用的機(jī)械手，可在一定程度上具有多功能，為了使模型和控制單元分離開來，還需要有偏心位置，以防止振動(dòng)，延長機(jī)械手的壽命。

■2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的傳動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器移動(dòng)的傳動(dòng)裝置。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)在工業(yè)機(jī)械手特別是高速機(jī)械手中有著廣泛的應(yīng)用。為了保證傳動(dòng)系統(tǒng)的定位精度，工作穩(wěn)定，維護(hù)方便。

3 運(yùn)煤機(jī)機(jī)械手PLC 控制原理

運(yùn)煤機(jī)械手PLC 的控制原理是：作為輸入信號(hào)的行程開關(guān)等相關(guān)信號(hào)通過輸入端輸入到PLC。在收到輸入信號(hào)后，PLC 程序進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過輸出端輸出經(jīng)處理的信號(hào)，這些輸出信號(hào)主要用來控制煤機(jī)機(jī)械手液壓系統(tǒng)電磁閥的電磁鐵。

4 PLC 控制硬件及軟件設(shè)計(jì)

■4.1 PLC 的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟

（1）在PLC 中分配輸入輸出設(shè)備，也就是決定哪些外設(shè)是發(fā)送給PLC，哪些是從PLC 接收的。而PLC 的輸入和輸出是與相應(yīng)的PLC 相對(duì)應(yīng)的。

（2）用PLC 程序繪制梯形圖。階梯狀圖體現(xiàn)了按一定順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系。

（3）采用計(jì)算機(jī)直接編程實(shí)現(xiàn)PLC 的梯形圖。

（4）進(jìn)行調(diào)試仿真和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

（5）儲(chǔ)存已完成的計(jì)劃。

很明顯，在建立PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，首先要確定系統(tǒng)所需的輸入、輸出量，直至達(dá)到控制要求。

■4.2 PLC 的選擇

PLC 按輸入、輸出點(diǎn)和 CPU 功能分為大、中、小三類。按其結(jié)構(gòu)可分為集成 PLC 和模塊化 PLC。有許多類型的 PLC。S7-200 由德國 SIMATIC 公司開發(fā)，是最近幾年的S7。兩百多個(gè)高性能小型 PLC，靈活的、可互換的系統(tǒng)配置，大量的特殊功能模塊可供選擇，每一個(gè)獨(dú)立模塊都進(jìn)行了整體組合，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展，功能強(qiáng)大，使用方便。機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用CPU224S7-200 系列產(chǎn)品。可編程控制器集成數(shù)字式輸入/輸出，14 個(gè)輸入，10 個(gè)輸出，布爾基位運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間0.22 微秒，存儲(chǔ)容量8 KB。此外，本系統(tǒng)還具有6 個(gè)30 kHz 單相高速計(jì)數(shù)通道和2 個(gè)20 kHz 高速脈沖輸出通道，能夠接收編碼器發(fā)出的信號(hào)并直接控制步進(jìn)電機(jī)。具有模擬輸入輸出、高速計(jì)數(shù)器、位置控制、數(shù)據(jù)輸入輸出、通信等功能模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬控制、位置控制、網(wǎng)絡(luò)等功能。

■4.3 控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備以及IO 點(diǎn)確定

輸入器是產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝置，控制系統(tǒng)主要包括信號(hào)開關(guān)、磁近開關(guān)和用于刀庫的同步編碼器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由PLC 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸出機(jī)構(gòu)為電磁閥、環(huán)狀分布管、氣動(dòng)回路的工作狀態(tài)指示器。

■4.4 控制系統(tǒng)硬件

（1）PLC 配置

這個(gè)控制系統(tǒng)需要12 個(gè)輸出點(diǎn)，所以應(yīng)該增加數(shù)字量的輸出。選配一套EM222 數(shù)碼輸出模塊，增加8 個(gè)輸出。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為13 字節(jié)。可實(shí)現(xiàn)6 路30 kHz 獨(dú)立計(jì)數(shù)。整塊輸入/輸出接線板易于拆卸。換言之，這是一個(gè)有很強(qiáng)轉(zhuǎn)向能力的控制器。這個(gè)200 系列的強(qiáng)大功能允許您實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，不管它們是單獨(dú)運(yùn)行的還是與網(wǎng)絡(luò)相連的。所以S7-200 系列的性價(jià)比非常高。

圖2 煤機(jī)機(jī)械手運(yùn)行方式示意圖

（2）旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)式編碼器一般分為增量式和絕對(duì)式。編碼器當(dāng)前位置的讀數(shù)是以0 標(biāo)記開始，由計(jì)算脈沖的增減來決定。即便是讀入絕對(duì)編碼器的當(dāng)前位置，也需要讀入編碼器輸出。很明顯，只有一次轉(zhuǎn)讀取每個(gè)位置的輸出代碼。當(dāng)設(shè)備被關(guān)閉時(shí)，當(dāng)設(shè)備被打開時(shí)，絕對(duì)編碼器的測(cè)量值仍然在其當(dāng)前位置。不過，增量編碼器不一樣，當(dāng)前的度量已經(jīng)為零。刀盤絕對(duì)角位置是刀庫中非常重要的參數(shù)，它與所選刀具的正確性密切相關(guān)，因此在本場(chǎng)合中一般采用絕對(duì)型編碼器。考慮到成本，在上述因素的基礎(chǔ)上，360 脈沖/轉(zhuǎn)分辨率高，既可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)，又可節(jié)省成本，但PLC 編程必須解決三個(gè)關(guān)鍵問題：

①在每一控制系統(tǒng)上電后的第一次PLC 掃描周期內(nèi)，編碼器的讀數(shù)必須能夠恢復(fù)為斷電前的數(shù)據(jù)，每一斷電前的狀態(tài)必須能夠被保存到斷電記憶寄存器中。

②一定要有清除編碼器讀數(shù)與刀盤實(shí)際轉(zhuǎn)角累積誤差的功能。

③重要的是要注意，PLC 程序應(yīng)該具有一種功能，使高速計(jì)數(shù)器在被控對(duì)象斷電時(shí)能夠找到標(biāo)準(zhǔn)的參照點(diǎn)，參照點(diǎn)可以是零位或一個(gè)常數(shù)。

■4.5 PLC 編程

（1）程序編制

程序設(shè)計(jì)通常分為以下三步：

①根據(jù)被控對(duì)象控制要求設(shè)計(jì)；

②按不同功能說明的梯形圖編程；

③把編寫好的程序加載到PLC 的RAM 中，調(diào)試程序。

（2）回原點(diǎn)程序

操作者必須在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行返回操作。選擇直線軌道上的一個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，可以得到坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系為控制的實(shí)現(xiàn)提供了參考系。因?yàn)镕X2N 系列沒有特殊的參考命令，所以采用三菱 PLSY 脈沖輸出命令來實(shí)現(xiàn)參考過程。Y2 控制伺服電機(jī)輸出端的旋轉(zhuǎn)方向。若電機(jī)在起動(dòng)時(shí)在測(cè)試過程中沿與原點(diǎn)相反的方向運(yùn)動(dòng)，將Y2 轉(zhuǎn)換為Y1，使電機(jī)在起動(dòng)時(shí)向原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)程序的循環(huán)速率應(yīng)該是800 Hz，DO是用來存儲(chǔ)輸出頻率的，D1 是用來存儲(chǔ)系統(tǒng)開機(jī)時(shí)的輸出脈沖數(shù)，M8002 是發(fā)送脈沖的，K800 是用來寫 DOD1 的。將M3 設(shè)置為Y002。這時(shí)，PLC 的Y0 輸出端口開始發(fā)出頻率為800 Hz 的脈沖，使x 軸返回原點(diǎn)。當(dāng)邊脈沖收到定位提升指令時(shí)，M3 被復(fù)位，D8140 被設(shè)置為0，脈沖輸出完成標(biāo)記M8029 被設(shè)置為M3 復(fù)位，D8140 被設(shè)置為0，原點(diǎn)操作完成。

圖3 回原點(diǎn)方式順序功能圖

（3）手動(dòng)操作程序

如使用手動(dòng)模式，請(qǐng)不要按下下/自動(dòng)按鈕。此時(shí)，系統(tǒng)控制接管微動(dòng)模式，每一個(gè)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)啟動(dòng)按鈕控制機(jī)械手的相應(yīng)操作。按壓按鈕時(shí)，相應(yīng)執(zhí)行部件相應(yīng)的動(dòng)作，直到到達(dá)行程開關(guān)，或者在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)釋放按鈕。手工按鍵包括 X 軸左移、X 軸右移、Y 軸后移、Z 軸上移、Z 軸下移和“手動(dòng)松開”。

為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，在手動(dòng)程序中對(duì)軟件進(jìn)行了必要的鎖定，以避免操作錯(cuò)誤。舉例來說，操作者可以通過限制Z1 在 Z 軸上的位置來左右移動(dòng)X 軸和 Y 軸。也就是說，通過設(shè)置Z1，可以驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)軸向移動(dòng)。機(jī)械手的抽、開動(dòng)作均由電磁閥控制。按壓吸氣按鈕后，PLC 的Y11 輸出端口會(huì)復(fù)位，電磁閥CY2-1 控制吸氣，吸氣完成。當(dāng)按壓機(jī)械手時(shí)，將 PLC 的Y11 輸出復(fù)位，關(guān)閉相應(yīng)的CY2-1 電磁閥，釋放機(jī)械手的氣動(dòng)吸盤。

■4.6 PLC 編程時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）通過對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行優(yōu)化控制，并考慮是否會(huì)產(chǎn)生慣性沖擊或振動(dòng)；

（2）機(jī)械臂與加工工件設(shè)備的動(dòng)作應(yīng)協(xié)調(diào)一致，保證機(jī)械臂在抓取工件時(shí)與工件設(shè)備分別動(dòng)作，減少時(shí)間浪費(fèi)；

（3）當(dāng)寫程序時(shí)，應(yīng)該盡可能地用子程序來寫模式，給它起個(gè)真正的程序名，最好在主程序段添加注釋行，以便于將來檢查程序。

5 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)煤機(jī)機(jī)械手有很強(qiáng)的專用性，而且具有安裝調(diào)試方便，操作簡單，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。考慮到礦山作業(yè)條件和運(yùn)輸行業(yè)本身的特殊性等相關(guān)因素，同時(shí)為了有效地控制設(shè)備更新費(fèi)用，提出了整體性小型可編程控制器，對(duì)于每個(gè)控制點(diǎn)安裝的行程開關(guān)信號(hào)，主要是借助可編程控制器的處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，以達(dá)到設(shè)定好的程序?yàn)榛A(chǔ)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，保證預(yù)期目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。