基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 群，孫方成，石 宏(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng)110136)

基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 群，孫方成，石 宏
(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng)110136)

為提高國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)自動(dòng)化水平，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配效率，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的葉片自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)。首先對(duì)裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程進(jìn)行分析，依據(jù)其工作過(guò)程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要以PLC和觸摸屏為主要控制元件，傳感器進(jìn)行信號(hào)采集反饋從而實(shí)現(xiàn)邏輯控制。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、控制可靠等優(yōu)點(diǎn)。

PLC;氣動(dòng)機(jī)械手；控制系統(tǒng)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化裝配方式正在慢慢應(yīng)用于不同部件的裝配中。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件是核心機(jī)重要的一環(huán)，它的功用是將高溫燃?xì)庵械牟糠譄崮芎蛪毫δ苻D(zhuǎn)換成機(jī)械功，帶動(dòng)壓氣機(jī)和附件工作[1]。其主要組件渦輪葉片數(shù)量眾多、裝配過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，是裝配過(guò)程中丞待解決的問(wèn)題。機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象，廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、裝配、加工等各個(gè)行業(yè)，特別是笨重、高溫、高壓等惡劣的環(huán)境中，國(guó)內(nèi)外都十分重視它的發(fā)展和應(yīng)用。本文通過(guò)氣動(dòng)機(jī)械手的工作原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的葉片自動(dòng)裝配的控制系統(tǒng)。主要以PLC和觸摸屏為控制級(jí)，氣缸和伺服電機(jī)為執(zhí)行級(jí)[2-4]。

1 葉片自動(dòng)裝配系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)型

1.1 自動(dòng)化裝配系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)裝配系統(tǒng)主要由渦輪盤(pán)固定裝置、機(jī)械臂、機(jī)械手、葉片自動(dòng)輸送裝置、底座四部分組成，如圖1所示。

渦輪盤(pán)固定平臺(tái)工作過(guò)程為：當(dāng)前一個(gè)葉片完成裝配后，控制機(jī)構(gòu)使盤(pán)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度，盤(pán)上的下一個(gè)榫槽到達(dá)裝配工位，進(jìn)行下一個(gè)葉片裝配，依此類(lèi)推，完成盤(pán)上所有葉片的裝配。

機(jī)械手工作過(guò)程：葉片夾取，推桿將葉片榫頭推入夾具2中的榫槽內(nèi)，葉片榫頭左右前后四個(gè)自由度被約束；然后夾具1對(duì)葉片頂部上下兩個(gè)自由度進(jìn)行約束，從而達(dá)到葉片6自由度約束定位，如圖2(a)所示。

圖1 葉片自動(dòng)裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 葉片自動(dòng)裝配系統(tǒng)典型部件結(jié)構(gòu)

1.2 葉片自動(dòng)裝配系統(tǒng)平臺(tái)動(dòng)作流程

機(jī)械臂抓手動(dòng)作流程如圖3所示，將葉片裝入葉片輸送平臺(tái)，渦輪盤(pán)固定在指定位置。機(jī)械手處于原點(diǎn)即初始位置。系統(tǒng)中腰部位置、機(jī)械大臂、機(jī)械小臂、線性馬達(dá)以及抓手處于回位狀態(tài)。

(1) 腰部旋轉(zhuǎn)：通過(guò)觸摸屏啟動(dòng)按鈕控制位于平臺(tái)底部的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械大臂開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，機(jī)械臂停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)信號(hào)傳遞到機(jī)械小臂伺服驅(qū)動(dòng)器。

(2) 小臂機(jī)械運(yùn)動(dòng)(下降)：當(dāng)機(jī)械大臂旋轉(zhuǎn)到指定位置，葉片從傳輸裝置傳送到相應(yīng)位置，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械小臂下降，當(dāng)限位傳感器與葉片接觸，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)將信號(hào)反饋給機(jī)械手夾具。葉片傳輸裝置歸位。

(3) 機(jī)械手抓取葉片：機(jī)械手夾具在線性馬達(dá)作用下伸出抓取，同時(shí)壓力傳感器將采集的信號(hào)傳遞給機(jī)械小臂。

(4) 小臂機(jī)械運(yùn)動(dòng)(上升)：機(jī)械小臂上升到一定位置，觸發(fā)限位傳感器信號(hào)，上升停止，同時(shí)將傳感器信號(hào)傳遞給腰部伺服驅(qū)動(dòng)器。

(5) 腰部旋轉(zhuǎn)：平臺(tái)底部伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)腰部旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到停放渦輪盤(pán)的位置停止旋轉(zhuǎn)，傳感器采集信號(hào)傳遞給機(jī)械小臂伺服驅(qū)動(dòng)器。

(6) 小臂機(jī)械運(yùn)動(dòng)(下降)：小臂驅(qū)動(dòng)器接通，開(kāi)始下降到指定位置，觸發(fā)限位傳感器停止動(dòng)作，傳感器將信號(hào)傳遞給機(jī)械手夾具。

(7) 夾具傾斜：線性馬達(dá)推動(dòng)機(jī)械夾具傾斜13°，觸發(fā)限位傳感器停止動(dòng)作，將采集的信號(hào)傳遞給機(jī)械抓手。

(8) 機(jī)械抓手放置葉片：線性馬達(dá)推動(dòng)葉片榫頭定向推動(dòng)裝置到指定位置，觸發(fā)限位傳感器，將采集的信號(hào)傳遞給機(jī)械手夾具伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)線性馬達(dá)歸位，將采集的信號(hào)傳遞到機(jī)械小臂驅(qū)動(dòng)器。

(9) 小臂機(jī)械運(yùn)動(dòng)(上升)：機(jī)械小臂上升到指定位置，觸發(fā)限位傳感器，將信號(hào)傳送到位于平臺(tái)下方的伺服驅(qū)動(dòng)器，帶動(dòng)腰部旋轉(zhuǎn)進(jìn)行下一個(gè)完整循環(huán)。

圖3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)流程

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)渦輪葉片搬運(yùn)機(jī)械手整體設(shè)計(jì)指標(biāo)和作業(yè)要求，控制系統(tǒng)應(yīng)該滿(mǎn)足以下要求：

(1) 機(jī)械抓手有6個(gè)自由度，相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2) 程序具有可變性，能夠滿(mǎn)足不同的作業(yè)要求。

(3) 實(shí)時(shí)性高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，能夠?qū)鞲衅餍盘?hào)及時(shí)采集和反饋。

(4) 系統(tǒng)應(yīng)該具有高可靠性、安全性、穩(wěn)定性。

(5) 設(shè)計(jì)的人機(jī)界面要便于人工操作以及易于調(diào)試。

(6) 硬件搭建應(yīng)具有后期擴(kuò)展性。

2.1 PLC選型

PLC是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、功能完備的控制元件，PLC是控制系統(tǒng)的核心，其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率能得到有效提高。主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器的信號(hào)的采集，判斷后發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的實(shí)時(shí)控制。

PLC的型號(hào)是根據(jù)系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的數(shù)量以及高速脈沖數(shù)輸出的多少選擇[5-8]。

從成本、控制器性能和要求考慮，系統(tǒng)選用德國(guó)siemens公司的S7-200系列PLC作為控制器，在S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等。本文機(jī)械手所用控制系統(tǒng)共有14個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，6個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出，共需要20個(gè)I/O點(diǎn)，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)以及程序容量，選擇CPU226，具體參數(shù)如表1所示。

表1 控制器CPU226具體參數(shù)

2.2 資源配置

要完成系統(tǒng)的工程還需要除了PLC之外其他功能，比如電磁式限位開(kāi)關(guān)、電磁閥等[9]。

(1) 電磁式限位開(kāi)關(guān)。①上升限位開(kāi)關(guān)。上升限位開(kāi)關(guān)主要用于機(jī)械手在整體上移時(shí)控制位置，防止機(jī)械手超出范圍。在機(jī)械小臂上方的合適位置安裝好限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)械手上升到觸碰限位開(kāi)關(guān)時(shí)，PLC控制機(jī)械手停止上升運(yùn)動(dòng)。②下降限位開(kāi)關(guān)。下降限位開(kāi)關(guān)主要用于機(jī)械手在整體下降時(shí)控制下降位置，防止機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)超出控制范圍。③向左旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)。向左旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)主要用于控制機(jī)械手向左做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置，防止機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到位后過(guò)沖。④向右旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)。向右旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)主要用于控制機(jī)械手在做向右運(yùn)動(dòng)時(shí)控制其位置，防止機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到位后過(guò)沖。

(2) 光電開(kāi)關(guān)。在葉片側(cè)面夾具上有1個(gè)光電開(kāi)關(guān)，主要用來(lái)指示葉片工件是否到位。

(3) 電磁閥。機(jī)械臂，機(jī)械手內(nèi)部推拉裝置的上升和下降都是用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，各使用一個(gè)氣缸、一個(gè)電磁閥就能實(shí)現(xiàn)手臂和推拉裝置的上升和下降。機(jī)械手推拉裝置、夾具、左旋、右旋共用了四個(gè)電磁閥。

(4) 按鈕。急停按鈕為常閉觸點(diǎn)，按下后旋轉(zhuǎn)復(fù)位；手動(dòng)/自動(dòng)按鈕采用旋鈕，一側(cè)為常通，一側(cè)為常閉；其余按鈕為觸點(diǎn)觸發(fā)式，按下即接通，松開(kāi)復(fù)位。

(5) 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)。機(jī)械手動(dòng)力系統(tǒng)采用氣動(dòng)控制，如圖4所示。

3 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

S7-200作為西門(mén)子系列PLC中功能強(qiáng)大的小型PLC，其編程語(yǔ)言是STEP7，STEP7支持梯形圖、指令表，及功能圖編程方式，具有機(jī)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，用文件塊的形式管理用戶(hù)編寫(xiě)的程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，并且可將文件塊定義為子程序，通過(guò)調(diào)用語(yǔ)句，將它們組成結(jié)構(gòu)化的用戶(hù)程序，使程序結(jié)構(gòu)明確清晰[10]。

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。程序采用順序控制的方式，即按照預(yù)先順序，輸入信號(hào)，各個(gè)執(zhí)行元件自動(dòng)有序地進(jìn)行響應(yīng)[11-14]。程序按照控制點(diǎn)不同分為不同的功能塊，包括時(shí)序控制、條件控制等，具體控制系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

圖4 機(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由手動(dòng)程序(單操作控制方式)和自動(dòng)控制程序(單周期控制方式)兩大部分組成[15]。將系統(tǒng)的I/O連接到S7-200PLC的輸入輸出模塊，形成的I/O地址分配如表2所示，其梯形圖程序、對(duì)應(yīng)的手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示[16]手動(dòng)程序在FC1中編輯，自動(dòng)程序在FC10中編輯。

圖5 機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖

4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

運(yùn)行Solidworks運(yùn)動(dòng)仿真功能，驗(yàn)證各系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)性，并檢查有無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，首先需定義各部件的材質(zhì)及質(zhì)量屬性，此處選擇合金鋼，其屬性如表3所示。

表2 機(jī)械手控制系統(tǒng)I/O分配表

圖6 機(jī)械手S7-200主程序梯形圖

圖7 手動(dòng)控制程序梯形圖

圖8 自動(dòng)控制程序梯形圖

表3 各部件材料參數(shù)

對(duì)機(jī)器手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，能夠在計(jì)算機(jī)上驗(yàn)證機(jī)器手能否準(zhǔn)確按照期望軌跡運(yùn)動(dòng)，達(dá)到運(yùn)動(dòng)空間區(qū)域，評(píng)估是否滿(mǎn)足工作需求的目的。選擇機(jī)械手頂端一點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，運(yùn)行Motion獲得其運(yùn)動(dòng)軌跡(如圖9所示)和以幀為單位的三維坐標(biāo)點(diǎn)集(X,Y,Z)，并將所獲點(diǎn)集導(dǎo)入MATLAB中獲得機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間區(qū)域分布圖，如圖10所示。由此可以看出機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)符合要求，運(yùn)動(dòng)空間區(qū)域分布合理。

模擬葉片抓取裝配運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，如圖11所示，可以看出機(jī)械手能夠完成對(duì)葉片的抓取和裝配動(dòng)作，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程未發(fā)生干涉現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片抓取裝配。

圖9 模擬機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間區(qū)域分布

圖11 葉片抓取裝配運(yùn)動(dòng)仿真截圖

5 結(jié)論

可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊及高可靠性，在設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的過(guò)程中起到了十分重要的作用。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，本文在分析機(jī)械手搬運(yùn)過(guò)程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套基于西門(mén)子S7-200系列PLC的控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。極大地改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)了企業(yè)的自動(dòng)化水平，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件的裝配效率，為后續(xù)裝配贏得了寶貴的時(shí)間。

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DesignofpneumaticmanipulatorcontrolsystembasedonPLC

YU Qun，SUN Fang-cheng，SHI Hong
(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

To improve the automation level of domestic aeroengine enterprises,reduce the labor intensity and improve the assembly efficiency,a PLC-based automatic assembly control system for the blade is designed.First,the structure and working process of the assembly robot are analyzed.Then,the hardware and software of the whole system are selected and designed based on the working process.The main control elements of the system are PLC and touch screen,and the sensor is used to acquire the signal and feedback to realize the logic control.The system has the advantages such as simple structure,convenient operation and reliable control.

PLC;pneumatic manipulator;control system

2017-06-29

于 群(1991-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度,振動(dòng)及噪聲，E-mail:1255395880@qq.com；石 宏(1961-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，教授，博士，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造與維修技術(shù)，E-mail:shihong0809@163.com。

2095-1248(2017)06-0060-06

TP273

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.06.010

劉劃 英文審校：齊義文)