基于PLC的六自由度機械手控制系統設計

□□ 朱娟娟，張愛民

(1.山西職業技術學院，山西 太原 030006；2.山西科達自控股份有限公司，山西 太原 030006)

引言

隨著工業生產自動化、智能化的飛速發展,機械手的應用日益廣泛。它可代替人工完成一些單調、操作重復及繁重的工作任務，或者是在高溫、大噪聲、多粉塵等危險及惡劣環境中的工作，如工件分揀、物料搬運、焊接、噴涂、塑料制品成型等。機械手的應用既能節約人工成本、降低勞動強度、提高產品質量和生產效率，實現生產的機械化和自動化，又能保障人身安全，提高生產的安全性。

下面以PLC為核心，采用伺服電機驅動和液壓驅動的混合驅動方式，由拉線位移傳感器和編碼器反饋位置信息，在觸摸屏進行系統操作，實現六自由度機械手對管件的自動搬運。系統集電動式和液壓式驅動的優點于一體，結構簡單、抗干擾能力強、成本低、系統響應快、控制精度高。

1 機械手系統組成及控制要求

機械手設計是用于搬運管件的六自由度機械手，主要由執行機構、驅動機構和控制系統三部分組成，控制系統發出信號給到驅動機構，驅動機構發出指令給執行機構[1]，完成控制要求。執行機構包括底座、大臂、小臂、手抓；控制系統以PLC為核心，通過編寫、修改程序來實現對機械手運行動作的控制；驅動機構采用電液混合驅動方式，其中，機械手底座旋轉、大臂升降、小臂伸縮、手抓抓放采用液壓驅動，手腕的俯仰和旋轉采用電氣驅動。機械手系統組成如圖1所示。

圖1 機械手系統組成

1.1 機械手的機械結構

機械手的機械結構示意圖如圖2所示。機械結構由底座(帶編碼器)1、支撐柱2、大臂3、小臂4、手抓組件5、連接組件6、大臂油缸7(帶拉線位移傳感器)、小臂油缸8(帶拉線位移傳感器)等部件組成。

圖2 機械結構示意圖

1.2 機械手控制要求

機械手可完成底座旋轉、大臂升降、小臂伸縮、手腕旋轉、手腕俯仰、手抓抓放六個自由度的動作。能夠搬運管件，手抓夾持范圍<10 cm，底座旋轉角度為±180°，手腕俯仰角度為±90°，手腕旋轉角度為±180°。

機械手通過觸摸屏進行控制操作，有手動和自動兩種工作方式。手動工作方式時，可通過點擊觸摸屏上“手動模式”界面中相應的按鈕，使機械手臂點動執行某一個軸的動作。自動工作方式下，機械手按流程自動完成整套動作，流程如下：啟動→抓手松開→運行至管件位置(準備抓取)→抓手緊(完成抓取)→底座右轉→小臂伸出→手腕旋轉、俯仰→底座左轉→運行至放管位置(準備放管)→抓手松(完成放管)→回原位→抓手緊。

2 機械手控制系統

2.1 系統組成

在機械手控制系統中，電氣控制系統至關重要，而中央控制單元又是電氣控制系統的核心。因PLC具有性能優良，性價比高，抗干擾能力強，編程簡單易上手，適用于較復雜的生產環境，系統體積較小，能耗低等[2]優點，因而機械手控制系統采用PLC系統，選用的是臺達AS200系列PLC AS228P-A。機械手控制系統主要由PLC、伺服驅動器、伺服電機、拉線位移傳感器、舵機、電磁閥、編碼器等構成。控制系統結構框圖如圖3所示。

圖3 機械手控制系統結構框圖

2.2 控制原理

機械手系統采用液壓和電氣混合的驅動方式。其中，機械手底座旋轉、大臂升降、小臂伸縮、手抓抓放這四個自由度采用液壓驅動，手腕的俯仰和旋轉采用伺服電機驅動。

2.2.1 液壓驅動方式

液壓驅動采用一種新的電控液方法，使用小功率舵機、連接組件、閥門做成一種新的控制閥門，暫且將其稱之為數字閥。舵機通過連接組件接到閥門上，用舵機帶動閥芯調節閥門的開度，進而調節液壓油的流量。以大臂控制為例，在大臂油缸的進(回)油管和回(進)油管上各安裝一個數字閥，由安裝在油缸上的拉線位移傳感器對大臂油缸的活塞桿伸出和縮回的行程進行檢測，依此來反饋機械手大臂升起和下降的位置。拉線位移傳感器將檢測信號傳送給PLC，PLC給舵機發出脈沖信號，由舵機調節閥門的開度，進而控制大臂油缸活塞桿伸出和縮回的位置及速度，從而實現對大臂升起和下降位置及速度的控制。同理，通過控制小臂油缸進出油管中間的數字閥、液壓馬達進出油管中間的數字閥，可以實現小臂伸出和縮回及底座旋轉位置與速度的控制。這種電控液方法解決了傳統液壓伺服控制技術系統復雜、抗干擾能力差、液壓元件成本高、對液壓油潔凈度要求高、系統響應速度慢、控制精度低等問題。

2.2.2 電氣驅動方式

電氣驅動采用伺服驅動，由伺服電機和伺服驅動器兩部分構成。擬采用兩臺伺服電機，一臺用于驅動手腕的旋轉運動，一臺用于驅動手腕的俯仰運動。驅動器根據控制指令決定輸出信號，通過PWM信號來驅動伺服電機[3]。伺服驅動器有多種工作模式，系統選用的是位置控制模式。伺服驅動必須使伺服電機與伺服驅動器匹配。普通電機不可以和伺服驅動器匹配，只有伺服電機才可以和伺服驅動器進行匹配。一般分為兩種情況：一種是選用不同品牌的伺服驅動器和伺服電機。在進行匹配時，要檢查額定電壓與電流，伺服驅動器的輸出電壓需與伺服電機的額定電壓一致，伺服驅動器的額定電流要不小于伺服電機的額定電流；另一種是選用同一品牌的伺服電機和伺服驅動器，通常在伺服驅動器的使用手冊中有選型一覽表，可以根據選型一覽表的要求進行匹配。該系統選用的是松下伺服電機MHMF042L1和松下伺服驅動器MBDLT25SF011。

2.3 程序設計

每次在機械手開始運行前，都需使其完成一次復位動作，目的是保證機械手進行抓取前都在初始位置。系統由觸摸屏發出指令給PLC來控制機械手的動作。機械手運行控制為順序控制，采用步進順控指令進行編程，順序功能圖如圖4所示。

圖4 順序功能圖

3 結語

通過采用臺達PLC、松下伺服電機和伺服驅動器、臺達觸摸屏、數字閥等構建機械手的控制系統[4]，采用伺服電機驅動和液壓驅動的混合驅動方式，設計了一種六自由度機械手搬運裝置，實現了對管件的自動搬運。系統集電動式和液壓式驅動方式的優點于一體，充分發揮液壓出力大的優點，同時又減小了機械手爪部件的體積和質量，提高了空間利用率，機械手結構簡單、控制靈活、易于操作，具有一定的生產應用價值。