摘要：本文介紹了西門子PLC與步進(jìn)電機(jī)控制的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制順序，通過分析氣動(dòng)機(jī)械手的工藝流程，設(shè)計(jì)了基于西門子300的電氣控制系統(tǒng)，通過分配PLC的輸入/輸出接口，對步進(jìn)電機(jī)的定位控制器進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過該系統(tǒng)控制的機(jī)械手系統(tǒng)輸出超調(diào)明顯減小，定位精度顯著提高。因此本系統(tǒng)具有控制簡單、運(yùn)行可靠、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PLC;氣動(dòng)機(jī)械手;位置控制;步進(jìn)電機(jī)

中途分類號：TP 9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

0 引言

工業(yè)機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度快，抓力大，但存在速度難以控制的不足；液壓驅(qū)動(dòng)抓力較大，但速度慢；而氣壓則速度較快，抓力小。

機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。液壓機(jī)械手具有快速、高效等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制手臂的伸縮、手腕的回轉(zhuǎn)和手部的抓放運(yùn)動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)由電機(jī)控制。

機(jī)械手按其機(jī)構(gòu)工作原理可分為平行機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、多點(diǎn)式機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)等，目前工業(yè)上使用的機(jī)械手多采用復(fù)合型機(jī)構(gòu)。作者介紹了一款采用液壓驅(qū)動(dòng)式的工業(yè)機(jī)械手，針對機(jī)械手伸、抓、縮、放四大動(dòng)作分別對其進(jìn)行液壓回路設(shè)計(jì)、模擬仿真 、PLC 動(dòng)作控制、機(jī)電液一體化模擬實(shí)驗(yàn)。

隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展,加上PLC控制技術(shù)及電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，適用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的通用機(jī)械手得到了廣泛的應(yīng)用。由于氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、定位準(zhǔn)確,因此在自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到了廣泛應(yīng)用。本文將介紹一種采用PLC與步進(jìn)電機(jī)控制的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手。

1氣動(dòng)機(jī)械手的工作原理

工業(yè)氣缸驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，集平行機(jī)構(gòu)與單邊擺動(dòng)機(jī)構(gòu)于一體。為了克服氣壓驅(qū)動(dòng)的不足，快進(jìn)過程采用差動(dòng)回路，工作 過程采用同步回路與調(diào)壓回路。氣缸動(dòng)作順序圖如圖2所示。

圖 1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

1、2-氣缸，3-平行機(jī)構(gòu)，4-鉸鏈，5-固定爪，6-活動(dòng)爪

圖 2 氣缸動(dòng)作順序圖

功能實(shí)現(xiàn) ：

伸。缸 1、缸 2同 時(shí)向右運(yùn)動(dòng)，油路采用差動(dòng)回路與同步回路；

抓。缸 1停止工作，缸2向右運(yùn)動(dòng)，回路采用調(diào)壓回路。

縮。與伸出動(dòng)作相反。

放。與抓取動(dòng)作相反。

在初始位置時(shí)，機(jī)械手張開一定角度，即缸 2的初始角度為0，氣缸1有一定的偏移角度。氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)原理如圖3所示。

圖 3氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)原理圖

該氣動(dòng)機(jī)械手工作過程為:當(dāng)工件推入存放料臺后,氣動(dòng)機(jī)械手手臂前伸--前臂下降--氣動(dòng)手指夾緊工件--前臂上升--手臂縮回--手臂右旋到位--手臂前伸--前臂下降--手爪松開將工件放入料口--前臂上升--手臂縮回--機(jī)械手左旋返回原位,等待下一個(gè)工件到位,然后重復(fù)上面的動(dòng)作。

氣動(dòng)機(jī)械手的左/右旋轉(zhuǎn)主要靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),本系統(tǒng)選用了三相混合式步進(jìn)電機(jī)及細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)械手旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置和定位裝置。為了機(jī)械手定位需要,在機(jī)械手底座裝有電感傳感器作為機(jī)械手的基準(zhǔn)傳感器,并在機(jī)械手左/右旋轉(zhuǎn)的極限位置裝有限位開關(guān)。

2 PLC控制器

PLC是控制系統(tǒng)的核心器件，它相當(dāng)于人的大腦，控制我們一切的動(dòng)作。它的結(jié)構(gòu)一般是由中央處理器、電源部件，輸入、輸出部分構(gòu)成。圖4為一般PLC的結(jié)構(gòu)模塊圖。PLC的軟件簡單易學(xué)、使用維護(hù)方便；集電控、電傳、電儀于一體；可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；PLC網(wǎng)絡(luò)的性能價(jià)格比高，以至成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱之首?，F(xiàn)在世界上比較出名的PLC公司有日本的三菱、松下，美國的A-B以及德國的西門子等，每一個(gè)公司的產(chǎn)品都有它的獨(dú)特之處。

該系統(tǒng)可編程控制器件采用的是西門子公司的300系列PLC，具體型號為315-2PN/DP（如圖3所示），315-2PN/DP性能參數(shù)及模塊參數(shù)如下表1所示：

表1 西門子315-2PN/DP及模塊性能參數(shù)

3 PLC動(dòng)作控制與仿真

采用德國西門子S7-300編程操作面版進(jìn)行PLC梯形圖編程。I0.0為電源開關(guān)，I0．1為缸 2行程開關(guān)，I0.4為缸1行程開關(guān)，I0.2為缸2限位開關(guān)，I0.3 為缸 1限位開關(guān)，M 0.0 、M 0.1為中間繼電器，QO.1、Q0.2為電磁閥YA1、YA2，Q0.3、Q0.4為電磁閥Y B1、YB2，Q0.5、Q0.6 為電磁閥YC1、YD2。當(dāng)電源開關(guān)I0.0接通，中間繼電器M0.0自鎖，QO.1、Q0.3 同時(shí)得電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手同步伸動(dòng)作；當(dāng)固定爪接觸到物體，行程開關(guān)I0.4常閉觸點(diǎn)斷開，Q0.1失電，缸1停止，缸2繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)活動(dòng)爪抓牢物體，行程開關(guān)I0.1常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，Q0.1、Q0.3失電，Q0.2、Q0.4、Q0.5、Q0.6 得電，缸1、缸2 同時(shí)縮回；當(dāng)缸1到達(dá)指達(dá)初始位置，限位開關(guān)I0.3常閉觸點(diǎn)斷開，缸1停止，缸2 繼續(xù)運(yùn)動(dòng)放開物體；當(dāng)缸2 到達(dá)指達(dá)初始位置，限位開關(guān)I0.2常閉觸點(diǎn)斷開，完成一個(gè)循環(huán)過程。梯 形圖中中間繼電器M0.0、M0.1實(shí)現(xiàn)互鎖。

按圖 3 液壓氣路在西門子液壓 PLC 控制實(shí)驗(yàn)臺上完成液壓回路接線，采用STEP 7 對S7-300進(jìn)行編程 ，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖5所示。

A 氣缸1                                                             B氣缸2

圖 5仿真結(jié)果

4　結(jié)論

針對機(jī)械手伸 、抓 、縮 、放 四個(gè)動(dòng)作分別對其進(jìn)行了液壓回路設(shè)計(jì) 、仿真 、PLC 編程，采用PLC與氣缸控制的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手原理簡單、性能可靠。并在西門子300系列型PLC控制液壓實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了模擬仿真；經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真證明，該機(jī)械手控制方便、定位準(zhǔn)確。實(shí)際應(yīng)用中可也根據(jù)需要修改機(jī)械手動(dòng)作流程，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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