一種PLC控制的物料交接柔性機(jī)械手系統(tǒng)

呼剛義，楊新剛，關(guān)雄飛，王蓀馨

（1.西安理工大學(xué) 信息技術(shù)與裝備工程學(xué)院，西安 710086；2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710086）

一種PLC控制的物料交接柔性機(jī)械手系統(tǒng)

呼剛義1，楊新剛2，關(guān)雄飛1，王蓀馨1

（1.西安理工大學(xué) 信息技術(shù)與裝備工程學(xué)院，西安 710086；2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710086）

自動(dòng)流水線在國內(nèi)企業(yè)中使用比較普遍，物料在不同工位之間的抓取及傳送常用工業(yè)機(jī)器人來完成，其柔性好，但一般的商品化機(jī)器人針對多功能作業(yè)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，價(jià)格昂貴。給出了一種交接機(jī)械手系統(tǒng)完整方案及其具體細(xì)節(jié)，該機(jī)械手采用平面連桿機(jī)構(gòu)與立柱旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相組合以實(shí)現(xiàn)靈活的物料抓取運(yùn)動(dòng)，采用PLC控制的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作方式,可滿足不同自動(dòng)生產(chǎn)線物料柔性傳送要求。該機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)靈活、剛性好、成本低，具有推廣價(jià)值。

自動(dòng)生產(chǎn)流水線；機(jī)械手；平面連桿機(jī)構(gòu)

0 引言

隨著科技快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化日益加深，以及勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)的快速變化，制造業(yè)企業(yè)目前正在面臨著前所未有的生存壓力，制造過程自動(dòng)化、柔性化已經(jīng)成為我國制造業(yè)發(fā)展的迫切需求。流水化制造或裝配生產(chǎn)線不斷地走進(jìn)企業(yè)，而原先的流水生產(chǎn)線則向自動(dòng)化、柔性化生產(chǎn)線持續(xù)升級。

對于自動(dòng)流水線的物料傳輸系統(tǒng)中，存在著大量不同輸送線間、輸送線與作業(yè)工位間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)交接作業(yè)，交接的位姿及距離多變，一般可使用工業(yè)機(jī)器人，通過預(yù)先設(shè)置程序來適應(yīng)工作要求。但一般的商品化機(jī)器人針對多功能作業(yè)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，對于流水線物料轉(zhuǎn)送類作業(yè)來說，通常在功能、作業(yè)空間、承載能力等方面存在冗余，相對專用轉(zhuǎn)運(yùn)裝置來說，其價(jià)格相對昂貴，限制了其在企業(yè)廣泛推廣。

針對上述情況，本文開發(fā)了一種新型機(jī)械手系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PLC控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成不同工位之間物料的抓取和傳送，通過編制不同的控制程序可靈活實(shí)現(xiàn)不同的移動(dòng)軌跡。該機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)靈活、剛性好、成本低，對不同轉(zhuǎn)運(yùn)交接作業(yè)柔性好，具有推廣價(jià)值。

1 交接機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 任務(wù)要求

自動(dòng)流水線中不同作業(yè)地點(diǎn)轉(zhuǎn)送交接作業(yè)的位姿、距離及路徑要求各有不同，但針對每一具體的工位之間的物料轉(zhuǎn)送交接作業(yè)而言，其所要求的傳送位置和轉(zhuǎn)移的軌跡是相對固定的。這就要求物料交接機(jī)械手在滿足不同企業(yè)不同工位的多樣化轉(zhuǎn)送交接要求方面具有靈活性，同時(shí)又要高效可靠地滿足具體工位固定不變的轉(zhuǎn)送交接要求。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足自動(dòng)流水線中物料傳送空間軌跡路線多樣化要求，在比較了多種結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，確定了一種四自由度機(jī)械手方案，該機(jī)械手采用平面連桿組合機(jī)構(gòu)，并通過立柱旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)360°內(nèi)任意角度的轉(zhuǎn)動(dòng)來抓取傳送物料，適應(yīng)空間全方位物料交接；采用液壓元件驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)簡單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械手抓手的前移或后移通過伸縮油缸驅(qū)動(dòng)伸縮橫臂沿燕尾導(dǎo)軌移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，抓手的下移或上移由組成四桿滑塊擺桿機(jī)構(gòu)的仰俯油缸活塞桿的伸縮完成，而抓手的姿態(tài)由腕關(guān)節(jié)油缸活塞桿的伸縮實(shí)現(xiàn)。這樣可使抓手的抓取中心到達(dá)機(jī)械手工作空間的任意位置。而物料的抓取和松開由抓取油缸活塞桿伸縮帶動(dòng)抓手手指收縮和舒張來完成。

抓手抓緊物料后，機(jī)械手大臂擺動(dòng)同時(shí)橫臂伸縮至合適的空間位置，隨后立柱旋轉(zhuǎn)到預(yù)置的角度，通過三個(gè)油缸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)讓物料放置至合適工位，然后抓手張開放料。最后抓手沿原軌跡返回開始下一工作循環(huán)。其中旋轉(zhuǎn)立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩來自液壓馬達(dá)，是通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)立柱轉(zhuǎn)動(dòng)的。

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖

2 交接機(jī)械手的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及速度控制

液壓驅(qū)動(dòng)輸出推力或轉(zhuǎn)矩大，可無級變速，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，換向沖擊??；可采用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件集成式連接，功能配置容易、布局緊湊、安裝方便，并可以快速構(gòu)建復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)；與機(jī)、電聯(lián)合使用時(shí)，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此，該機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)。

機(jī)械手液壓系統(tǒng)回路如圖2所示。系統(tǒng)選用柱塞油泵，額定壓力為10MPa，額定流量10L/min，液壓介質(zhì)為N32抗磨液壓油。閥組疊加式安裝，便于迅速組合切換功能，泵站與操作機(jī)構(gòu)的連接選用快插式軟管連接，便于拆裝。

從圖2可以看出，該回路是一個(gè)多執(zhí)行元件控制回路。為了防止某一回路運(yùn)動(dòng)過快使系統(tǒng)回路壓力降低進(jìn)而干擾其他回路動(dòng)作，在控制回路的進(jìn)油口增加了疊加單向閥防止液壓油因壓力差回流來解決回路互相干擾問題。執(zhí)行元件的動(dòng)作換向是由O型三位四通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)，速度控制由回路中雙單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)?；芈分携B加減壓閥用來調(diào)節(jié)抓手的抓緊力大小，采用的雙液控單向閥鎖緊回路使抓手抓緊物料時(shí)，抓力可以長時(shí)間保持不變。當(dāng)機(jī)械手長時(shí)間不動(dòng)作，可以通過二位四通換向閥實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)卸荷，節(jié)約能耗。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電氣系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。

3.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該機(jī)械手系統(tǒng)的電氣原理圖及PLC的I/O分配如圖3所示。其中產(chǎn)生液壓油的液壓泵工作是由繼電器系統(tǒng)回路控制，回路由主電路和控制電路兩部分組成。按下按鈕SB3，交流接觸器KM1和中間繼電器KA0的線圈同時(shí)通電，隨即KM1主觸點(diǎn)動(dòng)作泵電機(jī)起動(dòng)，同時(shí)KM1輔助觸點(diǎn)閉合自鎖，與此同時(shí)KA0常開觸點(diǎn)動(dòng)作PLC上電。而按下按鈕SB2，KM1和KA0線圈斷電進(jìn)而電機(jī)和PLC停止工作。該控制回路具有短路、過載和過低壓保護(hù)功能，控制簡單、操作方便。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 電氣原理圖及PLC的I/O分配

交接機(jī)械手的工作，是由多個(gè)作為執(zhí)行元件的液壓缸來實(shí)現(xiàn)的?？紤]到轉(zhuǎn)送交接作業(yè)任務(wù)的多樣化需求及作業(yè)的可靠性要求，該交接機(jī)械手采用PLC作為控制器。PLC控制器就是通過對電磁換向閥的電磁線圈的控制，進(jìn)而控制電磁閥來改變執(zhí)行元件液壓缸工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)或手動(dòng)動(dòng)作。PLC控制器硬線接線及I/O地址分配如圖3所示，圖中注明了選用的端子號及其功能。例如I0.4信號來自開關(guān)SB11的接通，表示臂伸出指令；同樣輸出信號Q0.4能控制KA5繼電器接通或斷開，并結(jié)合圖2所示我們知道KA5是用來控制仰俯油缸回路的電磁換向閥YA2端的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手下移動(dòng)作。

3.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

該交接機(jī)械手應(yīng)用在空調(diào)制冷壓縮機(jī)生產(chǎn)自動(dòng)流水線的焊接后水中充壓試漏工序段，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)進(jìn)水出水的搬運(yùn)工作。根據(jù)現(xiàn)場條件以及工作流程要求，交接機(jī)械手的PLC控制程序設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式。

程序整體設(shè)計(jì)框架如圖4所示。首先PLC開始處于運(yùn)行狀態(tài)下，特殊繼電器SM0.0驅(qū)動(dòng)Q0.0帶電輸出，即上電指示燈點(diǎn)亮，標(biāo)志PLC準(zhǔn)備就緒。

接著選擇面板上的自動(dòng)/停止/手動(dòng)選擇開關(guān)接通地址I0.2或I0.3來使機(jī)械手處于手動(dòng)或自動(dòng)工作模式，硬件電路保證了兩種工作模式只能運(yùn)行其一。程序中運(yùn)行方式的選擇由JMP跳轉(zhuǎn)指令完成，同時(shí)相應(yīng)工作方式的指示燈亮。

圖4 控制程序

手動(dòng)運(yùn)行模式由手動(dòng)程序段來執(zhí)行。其主要用于標(biāo)定每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)起終點(diǎn)位置，起終點(diǎn)位置由安裝在機(jī)械手上的霍爾位置傳感器來實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)確保對于同一個(gè)液壓缸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)控制互鎖，而不同液壓缸的運(yùn)動(dòng)控制相互獨(dú)立。當(dāng)機(jī)械手處于在調(diào)試階段或位姿不精確需要調(diào)整時(shí)就需工作在手動(dòng)模式。

自動(dòng)工作模式由自動(dòng)程序段完成。機(jī)械手自動(dòng)抓取移動(dòng)物料的過程，實(shí)際是一個(gè)順序工作過程。因此程序設(shè)計(jì)方法就采用順序功能圖設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法思路清晰、程序修改方便，不易出錯(cuò)。當(dāng)機(jī)械手調(diào)試或調(diào)整完成后進(jìn)行正常工作時(shí)控制系統(tǒng)就應(yīng)切換到工作模式。

4 結(jié)束語

開發(fā)了一種交接機(jī)械手系統(tǒng)，系統(tǒng)給出了其具體方案，包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)軟硬件方案。該系統(tǒng)采用PLC控制器作為控制核心，具有自動(dòng)手動(dòng)兩種工作方式，采用平面連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合立柱旋轉(zhuǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)軌跡的抓放操作，工作可靠。采用液壓驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。該機(jī)械手系統(tǒng)能滿足物流轉(zhuǎn)送交接過程的柔性化及自動(dòng)化要求，且結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價(jià)格便宜，具有推廣價(jià)值。

該機(jī)械手已在某企業(yè)空調(diào)制冷壓縮機(jī)生產(chǎn)自動(dòng)流水線的焊接后水中充壓試漏工序段中使用，運(yùn)行情況良好。該機(jī)械手也被多個(gè)院校購買，成功應(yīng)用到機(jī)電液一體化自動(dòng)控制實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中。

以目前所開發(fā)的機(jī)械手系統(tǒng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用組態(tài)技術(shù)，增加必要的檢測功能，則會(huì)進(jìn)一步豐富該系統(tǒng)的功能，可適應(yīng)更多的應(yīng)用場合。

[1] 田淑珍. S7-200PLC原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 陳立定.電氣控制與可編程控制器[M].華南理工大學(xué)出版社,2001.

[3] 陳天華,王辛.基于PLC的恒壓變頻工廠供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(13):90-95.

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A flexible manipulator system for material transferring controlled by PLC

HU Gang-yi1, YANG Xin-gang2, GUAN Xiong-fei1, WANG Sun-xin1

TH165

A

1009-0134(2017)04-0121-03

2016-11-26

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（11JS073）

呼剛義（1972 -），男，陜西澄城人，副教授，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)。