0 引言

　　機(jī)械手是一種能自動(dòng)定位控制并可重新編程改變的多功能機(jī)器。它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)工件么完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件。機(jī)械手系統(tǒng)最核心的部分是執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由液壓、氣動(dòng)或電機(jī)來(lái)完成。這里我們介紹基于FX系列的PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線中四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)械手的控制。

1 系統(tǒng)的組成及其工作過(guò)程

　　如圖1所示，自動(dòng)生產(chǎn)線中四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)械手是由傳送小車(chē)與三軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械手裝置組成。它能完成進(jìn)退、旋轉(zhuǎn)、伸縮、升降動(dòng)作。傳送小車(chē)與傳輸軌道組成，采用有軌運(yùn)行方式，作為各站的傳送樞紐，三軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械手具有多工位旋轉(zhuǎn)可伸縮可升降特點(diǎn)，通過(guò)中央控制系統(tǒng)進(jìn)行有效合理的任務(wù)調(diào)度，也可單獨(dú)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)度。小車(chē)直線運(yùn)行，能準(zhǔn)確停到各工作站點(diǎn)，同時(shí)能對(duì)停靠各站進(jìn)行上、下工件的取放操作;設(shè)有硬件急停功能確保系統(tǒng)設(shè)備安全。四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由氣動(dòng)與電機(jī)來(lái)完成。四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)械手終端是1個(gè)氣動(dòng)夾爪，可以實(shí)現(xiàn)抓和放的動(dòng)作，由1個(gè)雙作用氣缸和1個(gè)雙電控電磁閥來(lái)完成控制;氣動(dòng)夾爪安裝在1個(gè)水平方向的雙作用氣缸上，能實(shí)現(xiàn)伸出和縮回動(dòng)作，方向的控制由1個(gè)雙電控的電磁閥來(lái)完成;水平方向的氣缸又安裝在1個(gè)垂直方向的升降氣缸上，能實(shí)現(xiàn)上升和下降動(dòng)作，垂直氣缸由i個(gè)單電控的電磁閥完成;機(jī)械手旋轉(zhuǎn)是由直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳送小車(chē)的驅(qū)動(dòng)是由交流步進(jìn)電機(jī)完成。因此機(jī)械手的升降、伸縮及抓取分別由3個(gè)氣缸完成，進(jìn)退與旋轉(zhuǎn)由2個(gè)電機(jī)完成。整個(gè)機(jī)械手的控制，是通過(guò)向系統(tǒng)提供符合要求的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的硬件主要由電氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PhC控制系統(tǒng)組成，軟件系統(tǒng)主要通過(guò)PLC的編程實(shí)現(xiàn)。其氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2a。

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖2旋轉(zhuǎn)機(jī)械手氣動(dòng)原理

　　本機(jī)械手功能是將一邊的工件搬到另一邊，如將一條生產(chǎn)線的工件搬到另一條生產(chǎn)線，或?qū)⒁粋€(gè)工作站的工件搬到另一個(gè)工作站，工作順序?yàn)?(上電)→復(fù)位→(啟動(dòng))，前進(jìn)到工作站點(diǎn)→順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的90°→伸出→下降→抓工件→上升→縮回→逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的90°→前進(jìn)到Z作站點(diǎn)2→逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的90°→伸出→下降→放工件→上升→縮回→順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的90°→后退到原點(diǎn)斗循環(huán)。

2 系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)控制信號(hào)的數(shù)量，本系統(tǒng)選用FX2N-48MR型可編程控制器。可以結(jié)合實(shí)際的工程要求在工作現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手柔性化設(shè)計(jì)。

　　2.1 機(jī)械手系統(tǒng)與PLC的I/O表(見(jiàn)表1)

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手控制要求是:設(shè)復(fù)位狀態(tài)為小車(chē)停在原點(diǎn)、仲縮氣缸縮回、氣爪放松、旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂為零度方向。因此上電后復(fù)位就是需要傳送小車(chē)后退到原點(diǎn)、縮回至后極限、放松氣爪、旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂為零度方向，特別是旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂的初始位置要調(diào)整好，按下啟動(dòng)按鈕后，傳送小車(chē)前進(jìn)，前進(jìn)到_仁作站點(diǎn)1,到達(dá)位置后，機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,到位后機(jī)械手伸出至前極限，下降至下極限點(diǎn)，此處由個(gè)單電控的電磁閥完成，所以在一卜一個(gè)動(dòng)作取工件時(shí)要保持下降，接下來(lái)的動(dòng)作是機(jī)械手上升至匕極限，然后縮回至后極限，接著機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，抓住工件前進(jìn)到工作站點(diǎn)2，機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的90°，伸出，下降，保持下降并將氣動(dòng)夾爪打開(kāi)放工件，完成工件的搬運(yùn)工作，接著機(jī)械手先上升至上極限，然后縮回至后極限，機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°回到初始旋轉(zhuǎn)位，然后傳送小.車(chē)后退到原點(diǎn)。至此，氣動(dòng)機(jī)械手完成一個(gè)_仁作周期，可返回進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。這里，我們注意到機(jī)械手都要在縮回后再旋轉(zhuǎn)，這時(shí)為了避免懸臂梁過(guò)長(zhǎng)而造成干涉或者機(jī)械的笨重。

　　傳送小車(chē)的進(jìn)退及機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)不是由氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)而是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。PLC控制步進(jìn)的控制指令[ DPLR D1 D2 D3 Y0]。PLSR指令是脈沖輸出指令。針對(duì)指定的最高頻率，進(jìn)行定加速，在達(dá)到所指定的輸出脈沖數(shù)后，進(jìn)行定減速。指令中由D1設(shè)定最高頻率，由D2設(shè)定總輸出脈沖數(shù)，由D3設(shè)定加減速時(shí)間，第4個(gè)參數(shù)為輸出端(機(jī)械手臂Y0/傳送小車(chē)Y1)。傳送小車(chē)前進(jìn)YDp3=1;后退YOf33=0;傳送小車(chē)移動(dòng)的距離所給脈沖個(gè)數(shù)和位置開(kāi)關(guān)來(lái)控制。旋轉(zhuǎn)手臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Y2=1;順時(shí)針旋轉(zhuǎn):Y2=0;手臂旋轉(zhuǎn)的角度由脈沖個(gè)數(shù)來(lái)決定。

　　PLC控制程序的功能圖見(jiàn)圖3,將此功能圖、轉(zhuǎn)換為梯形圖，就可以成為PLC控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)本氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作控制。

圖3PLC控制圖

　　梯形圖的設(shè)計(jì):梯形圖的編制方法很多，可以用起保停的方法，即按條件起動(dòng)然后保持(自鎖)，下一個(gè)狀態(tài)成立時(shí)切斷上一個(gè)狀態(tài)，也可以使用置位[SET],乙和復(fù)位[RST]來(lái)完成，比較典型的是以[STL]為特征的步進(jìn)梯形圖。如果要精簡(jiǎn)一些，我們也可以用移位指令來(lái)完成，如本例可以用[SFTL M50 M0 K19 K1 ] ,其中SFTL是左移位指令，M5f1是補(bǔ)位的，M}是起始狀態(tài)繼電器，K19表示共19個(gè)繼電器，即MO一M19,KL表示每次一位。部分程序如圖4。其中[ZRST M1M18]是區(qū)間復(fù)位指令。I3PISR是脈沖輸出指令。

圖4部分PLC程序

3 小結(jié)

　　總之，通過(guò)采用PLC對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線中四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)械手進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制要求?？刂瞥绦蚓哂休^強(qiáng)的抗干擾能力，良好的可靠性，具有良好的協(xié)調(diào)運(yùn)行性能。