摘 要: 采用PLC脈沖輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)沿X軸與Y軸運(yùn)動(dòng)，通過(guò)發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位的功能。使用真空吸盤(pán)代替機(jī)械手手爪，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特殊材料的吸取與釋放。重點(diǎn)介紹了氣動(dòng)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及觸摸屏畫(huà)面的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行安全有效的搬運(yùn)，使用效果良好。

關(guān)鍵詞: 機(jī)械手； 控制系統(tǒng);精確定位;步進(jìn)電機(jī)； PLC

物料搬運(yùn)機(jī)械手在高溫、重載、多粉塵的危險(xiǎn)環(huán)境中應(yīng)用普遍，不但可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以大大提高生產(chǎn)的效率[1-2]。在實(shí)際應(yīng)用中，一般的物料搬運(yùn)定位控制大多采用可編程控制器PLC加脈沖定位模塊進(jìn)行定位控制，此方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件成本高[3-4]。本文直接利用PLC本身的高速脈沖輸出端口分別控制X軸與Y軸的步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)X軸與Y軸精確的定位功能。使用真空吸盤(pán)代替機(jī)械手手爪，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特殊材料(如外形不規(guī)則、夾持易碎等)的吸取與釋放[5]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、可以搬運(yùn)氣動(dòng)手爪無(wú)法搬運(yùn)的物料。

該機(jī)械手由X軸、Y軸滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，Z軸升降氣缸與真空吸盤(pán)抓取機(jī)構(gòu)等組成。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接X(jué)軸與Y軸絲杠，控制脈沖的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)X軸與Y軸精確的定位功能。機(jī)械手到達(dá)指定的位置后，通過(guò)Z軸升降氣缸與真空吸盤(pán)的控制，可以完成物料的吸取與釋放。機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1) 操作模式分為手動(dòng)和自動(dòng)方式兩種。通過(guò)觸摸屏的觸摸手動(dòng)或自動(dòng)操作按鈕，分別進(jìn)入手動(dòng)與自動(dòng)操作界面。

(2) 手動(dòng)操作時(shí)，通過(guò)觸摸屏操作X軸與Y軸的正、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕，將機(jī)械手運(yùn)行至任何位置，并可進(jìn)行原點(diǎn)返回。按下上升與下降按鈕可完成Z軸氣缸的上升與下降動(dòng)作，按下吸取與釋放按鈕，可完成工件的吸取與釋放動(dòng)作。

(3) 自動(dòng)操作時(shí)，機(jī)械手按圖2的工件位置進(jìn)行搬運(yùn)，初始位置位于原點(diǎn)(在②位的左側(cè))，首先將工件從1號(hào)位置搬運(yùn)至2號(hào)位置，然后由2號(hào)位置搬運(yùn)至3號(hào)位置，最后回到1號(hào)位置，進(jìn)入下個(gè)周期。

(4) 按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手并不立即停止，要等到一個(gè)周期結(jié)束后，方可停止。

(5) 為了防止X軸與Y軸發(fā)生越程故障，X軸與Y軸應(yīng)有極限保護(hù)功能。

根據(jù)機(jī)械手的控制要求，機(jī)械手共有1個(gè)執(zhí)行氣缸來(lái)完成Z軸(上升與下降)運(yùn)動(dòng)，1個(gè)真空發(fā)生器帶動(dòng)真空吸盤(pán)完成物料吸放任務(wù)，執(zhí)行氣缸與真空發(fā)生器由二位五通電磁閥控制，均采用雙電控電磁閥。電磁閥出氣口安裝有節(jié)流閥，用來(lái)調(diào)節(jié)氣體流量的大小確保氣缸的動(dòng)作平穩(wěn)可靠[6-8]。氣缸選擇活塞帶磁性的氣缸，便于利用磁性開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)氣缸活塞的位置，即檢測(cè)活塞的運(yùn)動(dòng)行程。為了確保真空發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓能夠吸住物體，采用氣壓傳感器檢測(cè)負(fù)壓大小[9-12]。設(shè)計(jì)的機(jī)械手氣動(dòng)回路如圖3示。

根據(jù)機(jī)械手搬運(yùn)物料的控制要求，輸入信號(hào)中升降氣缸動(dòng)作是否到位采用2個(gè)磁性開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)；為了確保真空發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓能夠吸住物體，采用一氣壓傳感器來(lái)檢測(cè)。X軸與Y軸分別裝有限位及原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，加上啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停按鈕，共占用PLC的13個(gè)輸入點(diǎn)。輸出信號(hào)有：控制X軸與Y軸的脈沖與方向信號(hào)，氣缸升降、吸取與釋放電磁閥，加上啟動(dòng)、停止、復(fù)位指示燈，共占用11個(gè)PLC輸出點(diǎn)。考慮到設(shè)備的擴(kuò)展功能，選用三菱FX3U-32MT的PLC可滿足控制要求，三菱plc 輸入輸出點(diǎn)的具體分配見(jiàn)表1所示。

根據(jù)機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸入/輸出分配表，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)電氣原理圖如圖4和圖5所示。圖4中，PLC選擇晶體管輸出型及三菱FX3U-32MT內(nèi)置獨(dú)立3軸最高100 kHz的定位功能，完全能滿足機(jī)械手搬運(yùn)物料的定位控制要求。QF為自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)，主要控制PLC電源與直流開(kāi)關(guān)電源，同時(shí)具有短路、過(guò)載等保護(hù)。T1為24 V直流開(kāi)關(guān)電源，提供PLC輸入/輸出電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及觸摸屏的直流電源。磁性開(kāi)關(guān)有藍(lán)色和棕色2根引線，設(shè)計(jì)線路時(shí)，注意藍(lán)色線接低電位，棕色線接高電位，由于采用三菱FX3U的PLC，輸入電路需要接24 V電源，考慮到氣壓傳感器檢測(cè)開(kāi)關(guān)為PNP型，因此將PLC的S/S端接開(kāi)關(guān)電源-24 V端子;磁性開(kāi)關(guān)的棕色線與氣壓傳感器棕色線接直流開(kāi)關(guān)電源+24 V端子，藍(lán)色線分別接PLC的X端子。

FX3U-32MT的輸出端子Y0—Y3具有輸出高速脈沖的功能，因此必須控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖端。其中，Y0、Y2分別為X軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入信號(hào)和方向輸入信號(hào)，Y1、Y3分別為Y軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入信號(hào)和方向輸入信號(hào)。考慮到設(shè)備在使用過(guò)程中的安全性，防止因程序編寫(xiě)有誤或其他原因?qū)е略匠坦收隙鴵p壞設(shè)備，在X軸與Y軸分別設(shè)置2個(gè)極限開(kāi)關(guān)，分別是SQ1、SQ2、SQ5、SQ6，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，到達(dá)X軸或Y軸的極限點(diǎn)，以上開(kāi)關(guān)會(huì)閉合，從圖5中可以看出，此時(shí)KA中間繼電器吸合，KA兩對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)分別接通兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使能端，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，從而起到保護(hù)設(shè)備的作用。Y4—Y12主要驅(qū)動(dòng)3只指示燈與4只電磁閥線圈，負(fù)載電壓均為直流24 V。

根據(jù)機(jī)械手自動(dòng)控制要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行流程圖見(jiàn)圖6。機(jī)械手起始在原點(diǎn)位置，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手首先前進(jìn)至1號(hào)位置。在X軸方向，1號(hào)位置距離原點(diǎn)為11.9 mm,在Y軸方向，1號(hào)位置距離原點(diǎn)為49.4 mm，機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，在無(wú)細(xì)分的條件下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)1圈需要200個(gè)脈沖。為了提高控制的精度，將步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分系數(shù)選擇4,此時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)1圈需要800個(gè)脈沖。由于機(jī)械手絲杠的螺距為5 mm，因此，在X軸方向發(fā)送1 904(11.9×8÷5)個(gè)脈沖，在Y軸方向發(fā)送7 904(49.4×800÷5)個(gè)脈沖，可到達(dá)1號(hào)位置。

機(jī)械手到達(dá)1號(hào)位置時(shí)，Z軸氣缸下降吸取工件后上升，前進(jìn)至2號(hào)位置。在X軸方向，2號(hào)位置距離1號(hào)位置為160 mm，在Y軸方向，2號(hào)位置距1號(hào)位置為140 mm，因此需要發(fā)送脈沖分別為25 600個(gè)和22 400個(gè)。

機(jī)械手到達(dá)2號(hào)位置，進(jìn)行工件釋放，釋放后延時(shí)2 s，再進(jìn)行工件吸取，并前進(jìn)至3號(hào)位置。在X軸方向，3號(hào)位置距2號(hào)位置為0 mm，在Y軸方向，3號(hào)位置距2號(hào)位置為160 mm，因此，X軸不需發(fā)脈沖，Y軸發(fā)送22 400個(gè)。到達(dá)3號(hào)位置進(jìn)行工件釋放，釋放后延時(shí)2 s，回到1號(hào)位置，進(jìn)入下一個(gè)周期。

采用三菱觸摸屏作為機(jī)械手的人機(jī)界面，分別設(shè)計(jì)歡迎主界面、手動(dòng)控制界面、自動(dòng)控制界面。用GT-desinger軟件的工程向?qū)б来瓮瓿捎|摸屏的系統(tǒng)設(shè)置、連接機(jī)器設(shè)置、畫(huà)面切換元件的設(shè)置等。機(jī)械手手動(dòng)控制畫(huà)面如圖7所示，歡迎主界面、自動(dòng)控制界面與手動(dòng)控制畫(huà)面相似。

歡迎主界面中手動(dòng)與自動(dòng)按鈕屬于多用動(dòng)作按鈕，具有位開(kāi)關(guān)與畫(huà)面切換兩種功能。手動(dòng)控制界面中的X軸正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、回原點(diǎn)、停止開(kāi)關(guān)分別與PLC輔助繼電器M0—M3對(duì)應(yīng)；Y軸正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、回原點(diǎn)、停止開(kāi)關(guān)分別與PLC輔助繼電器M10—M13對(duì)應(yīng)；氣缸上升與下降、吸取與釋放分別與PLC的輔助繼電器M20—M23對(duì)應(yīng)，以上開(kāi)關(guān)均屬于位開(kāi)關(guān)、點(diǎn)動(dòng)屬性。

氣缸動(dòng)作指示燈分別與PLC的實(shí)際輸出Y4—Y7對(duì)應(yīng)，屬于位狀態(tài)指示燈。返回主界面按鈕屬于畫(huà)面切換開(kāi)關(guān)。自動(dòng)控制界面中啟動(dòng)、停止、復(fù)位按鈕分別與PLC的輔助繼電器M32、M41、M40對(duì)應(yīng)，屬于位開(kāi)關(guān)、點(diǎn)動(dòng)屬性。

本系統(tǒng)應(yīng)用了PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)等，通過(guò)PLC編程，可實(shí)現(xiàn)任一位置的精確定位功能。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行可靠、定位精確、使用效果良好。其方法與技術(shù)可擴(kuò)展到機(jī)械、冶金、化工等行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。