搬运机械手控制系统的设计

徐荣健

摘   要：近年来，在机械手的发展基础上，结合自动化方面的设计，对机械手结构、控制、智能等技术进行了系统的整合，提出了边工作边检测边反馈数据边自身修正的设计方案。整体化的设计思路充分考虑了软、硬件各自的特点并进行整体升级改善，使机械手逐步向小型机械人转化。文章对搬运机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。

关键词：机械手;气动控制;可编程控制器;自动化控制

机械手（Mechanical Hand）能模仿人手和臂的某些动作功能。它在程序的驱动下可以完成各种规定的动作，代替人员的操作。东莞市第一个“无人工厂”的开建就是100个机械手同时上岗使其变成现实，现代生活中“无人超市”“无人飞机”“无人驾驶”等新名词出现，改变人们的生活，以后机械手一定会在各行各业中出现更多的“无人……”。机械手的执行机构分为：手部、手臂、躯干。驱动机构的选择有4种：电气驱动、气压驱动、液压驱动和机械驱动。控制机构分为点到点的点位控制和线到线的连续轨迹（直线、圆、抛物线等）控制两种。机械手若有6个自由度，可以抓取空间中任意位置的物体。自由度是评价机械手性能、自动化程度、成本等的关键参数。自由度越大，机械手的灵活性越大、功能越多、实用性越广，其设计、调试越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

1    搬运机械手结构及其动作设计

系统总体结构三维布局如图1所示，系统中各机械手的参数如表1所示。

1.1  结构和工作原理

该机械手由钢型材和铝型材结构支架部分、电机和运动执行部分、真空部分、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）电控部分等组成，如图2所示。

1.2  系统运行过程

（1）系统开机后，系统自检。

（2）如果机械手没有在原点，按下“启动”按钮或“回原点”按钮后会执行复位程序，机械手会回到原点。

（3）如果机械手已经在原点，按下“启动”按钮后系统要先离开原点，然后缓慢返回原点，以保证原点的一致性。

（4）真空系统启动，机械手开始下降（动作⑤），“纵向运行指示灯”亮，当吸盘与板料接触后，安装在吸盘上的接近开关会发出信号，机械手停止向下运行，运行时间2 s。

（5）吸取板料，延时1.5 s（动作⑥），以便让吸盘能够牢固地吸取到板料，“吸盘吸取指示灯”亮。

（6）纵向提升板料（动作⑦），“纵向电机运行指示灯”亮，当垂直上限位开关闭合后停止向上运动，运行时间2 s。

（7）横向搬运板料（动作⑧），“横向电机运行指示灯”亮，当横向运行到堆垛方向上的限位开关后，停止横向运动，运行时间7 s。

（8）放板料（动作①），“纵向电机运行指示灯”亮，“横向电机运行指示灯”熄灭。

（9）机械手下降到堆垛上以后，吸盘上的接近开关闭合，则停止向下运动，运行2 s，關真空泵，“纵向电机运行指示灯”熄灭，延时1.5 s（动作③），以便让板料和吸盘间的真空消失，“吸盘吸取指示灯”熄灭。

（10）提升机械手（动作②），“纵向电机运行指示灯”亮，当垂直上限位开关闭合后停止向上运动，运行时间2 s。

（11）横向回原点（动作④），“横向电机运行指示灯”亮，运行时间7 s。“纵向电机运行指示灯”熄灭。

（12）回到原点后，“横向电机运行指示灯”熄灭。整个放料过程结束，机械手等待下一块板料来到后，重复执行此过程。

2    PLC控制任务的设计过程

2.1  PLC的选型

对于PLC的选择，主要考虑如如下4个方面：（1）I/O点数。（2）PLC的存储容量。（3）CPU性能。（4）经济型。本设计中输入点数22 PCS、输出点数15 PCS，在实际使用中要考虑后续的扩充、损坏等，所以一般按1.5部以上的控制器点数选择;PLC容量在1 000步以上;CPU在性价比好的情况下越高越好。次要考虑使用环境、操作方便等。

PLC从美国通用汽车公司第一次提出该需求，到第二年成功研发出基于集成电路和电子技术的控制装置，第一次用了程序化的方式来控制电气的工作，后来爆破式的发展是在计算机中应用的需求越来越大，研发的公司越来越多，技术越来越成熟，型号很多，但是各个厂家生产的重点有一定区别，发展方向也不同，所以必须根据自己的设计需要考虑如何选择。下面介绍几家中国市场上比较主流的公司相关产品。

德国西门子（SIEMENS）公司在中国机械制造、电力、医疗、通信电子等许多行业中有应用，其可靠的电子元器件、便利的操作页面、超长的使用寿命等优点在使用中很受大家的欢迎。日本三菱公司的PLC特点：可靠性高、操作简便;丰富的内置集成功能;强劲通信能力;丰富的扩展模块;简单、易用的Micro/WIN编程软件。欧姆龙OMRON（中国）公司的PLC特点是：功能完善的紧凑型PLC，其中SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡（对于10点以下的机型来说），使安装更加方便，在紧密型的控制柜中是一个很好的选择，可以把更多的空间解放给其他结构。

结合上面几家产品的特点，就搬运机械手对PLC功能的要求确定型号FX1N-60MR。FX1N—60MR完全可以满足要求，同时具有较好的性价比，使用和维修方便。考虑将来工艺的变化和扩展，在满足使用的要求外，留有一定的余量，确保整个控制系统可靠。日常中经常使用三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品，其编程指令易懂，培训快，沟通异常通畅。用三菱FX1N做控制核心，采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。

2.2  PLC外部接线图

PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计是结合系统的控制要求来设定的。气动机械手控制外部接线如图3所示。

2.3  机械手控制流程

启动空气压缩机，打开气源开关，接通PLC，气控回路在PLC的控制下，推动气缸活塞杆实现机械手的旋转运动、上下运动和手指的开合运动。顺序地完成下降、夹紧、上升、右行、下降、松开、上升、左行等8个动作，按要求循环进行。机械手的控制流程如图4所示。

3    结语

在设计中应用的是真空吸盘，不同于传统的机械手爪，在真空方面的知识加深的同时，也认识到了其相对手爪的优势。真空吸盘具有结构简单、安装方便、外形美观、吸持力强等特点。在机械日益发展的今天，真空吸盘设备将会得到更广泛的应用。

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