机械手搬运物料精确定位控制系统设计

物料搬运机械手在高温、重载、多粉尘的危险环境中应用普遍，不但可以减轻工人的劳动强度，还可以大大提高生产的效率[1-2]。在实际应用中，一般的物料搬运定位控制大多采用可编程控制器PLC加脉冲定位模块进行定位控制，此方法结构复杂，硬件成本高[3-4]。本文直接利用PLC本身的高速脉冲输出端口分别控制X轴与Y轴的步进电机，通过控制脉冲的个数，分别实现X轴与Y轴精确的定位功能。使用真空吸盘代替机械手手爪，实现了对特殊材料(如外形不规则、夹持易碎等)的吸取与释放[5]。该系统结构简单、运行平稳、定位准确、可以搬运气动手爪无法搬运的物料。

1 机械手总体结构与控制要求

1.1 机械手总体结构

该机械手由X轴、Y轴滚珠丝杠机构，Z轴升降气缸与真空吸盘抓取机构等组成。步进电机通过联轴器连接X轴与Y轴丝杠，控制脉冲的个数，实现X轴与Y轴精确的定位功能。机械手到达指定的位置后，通过Z轴升降气缸与真空吸盘的控制，可以完成物料的吸取与释放。机械手总体结构如图1所示。

图1 机械手总体结构图

1.2 机械手控制要求

(1) 操作模式分为手动和自动方式两种。通过触摸屏的触摸手动或自动操作按钮，分别进入手动与自动操作界面。

(2) 手动操作时，通过触摸屏操作X轴与Y轴的正、反转点动按钮，将机械手运行至任何位置，并可进行原点返回。按下上升与下降按钮可完成Z轴气缸的上升与下降动作，按下吸取与释放按钮，可完成工件的吸取与释放动作。

(3) 自动操作时，机械手按图2的工件位置进行搬运，初始位置位于原点(在②位的左侧)，首先将工件从1号位置搬运至2号位置，然后由2号位置搬运至3号位置，最后回到1号位置，进入下个周期。

(4) 按下停止按钮时，机械手并不立即停止，要等到一个周期结束后，方可停止。

(5) 为了防止X轴与Y轴发生越程故障，X轴与Y轴应有极限保护功能。

图2 搬运工件示意图

2 气动控制系统设计

根据机械手的控制要求，机械手共有1个执行气缸来完成Z轴(上升与下降)运动，1个真空发生器带动真空吸盘完成物料吸放任务，执行气缸与真空发生器由二位五通电磁阀控制，均采用双电控电磁阀。电磁阀出气口安装有节流阀，用来调节气体流量的大小确保气缸的动作平稳可靠[6-8]。气缸选择活塞带磁性的气缸，便于利用磁性开关来检测气缸活塞的位置，即检测活塞的运动行程。为了确保真空发生器产生的负压能够吸住物体，采用气压传感器检测负压大小[9-12]。设计的机械手气动回路如图3示。

图3 机械手气动控制回路

3 PLC控制系统硬件设计

3.1 PLC控制系统输入输出分配表

根据机械手搬运物料的控制要求，输入信号中升降气缸动作是否到位采用2个磁性开关来检测；为了确保真空发生器产生的负压能够吸住物体，采用一气压传感器来检测。X轴与Y轴分别装有限位及原点开关，加上启动、停止、复位、急停按钮，共占用PLC的13个输入点。输出信号有：控制X轴与Y轴的脉冲与方向信号，气缸升降、吸取与释放电磁阀，加上启动、停止、复位指示灯，共占用11个PLC输出点。考虑到设备的扩展功能，选用三菱FX3U-32MT的PLC可满足控制要求，输入输出点的具体分配见表1所示。

表1 PLC控制系统输入/输出分配表

3.2 PLC控制系统电气原理图设计

根据机械手控制系统的输入/输出分配表，设计PLC控制系统电气原理图如图4和图5所示。图4中，PLC选择晶体管输出型及三菱FX3U-32MT内置独立3轴最高100 kHz的定位功能，完全能满足机械手搬运物料的定位控制要求。QF为自动空气开关，主要控制PLC电源与直流开关电源，同时具有短路、过载等保护。T1为24 V直流开关电源，提供PLC输入/输出电路、步进电机驱动器及触摸屏的直流电源。磁性开关有蓝色和棕色2根引线，设计线路时，注意蓝色线接低电位，棕色线接高电位，由于采用三菱FX3U的PLC，输入电路需要接24 V电源，考虑到气压传感器检测开关为PNP型，因此将PLC的S/S端接开关电源-24 V端子;磁性开关的棕色线与气压传感器棕色线接直流开关电源+24 V端子，蓝色线分别接PLC的X端子。

FX3U-32MT的输出端子Y0—Y3具有输出高速脉冲的功能，因此必须控制步进电机驱动器的脉冲端。其中，Y0、Y2分别为X轴步进驱动器的脉冲输入信号和方向输入信号，Y1、Y3分别为Y轴步进驱动器的脉冲输入信号和方向输入信号。考虑到设备在使用过程中的安全性，防止因程序编写有误或其他原因导致越程故障而损坏设备，在X轴与Y轴分别设置2个极限开关，分别是SQ1、SQ2、SQ5、SQ6，设备运行过程中，到达X轴或Y轴的极限点，以上开关会闭合，从图5中可以看出，此时KA中间继电器吸合，KA两对常开触点分别接通两台步进电机驱动器的使能端，此时步进电机停止运行，从而起到保护设备的作用。Y4—Y12主要驱动3只指示灯与4只电磁阀线圈，负载电压均为直流24 V。

图4 机械手控制系统电气原理图(一)

图5 机械手控制系统电气原理图(二)

4 PLC控制系统软件设计

根据机械手自动控制要求设计的机械手自动运行流程图见图6。机械手起始在原点位置，当按下启动按钮后，机械手首先前进至1号位置。在X轴方向，1号位置距离原点为11.9 mm,在Y轴方向，1号位置距离原点为49.4 mm，机械手步进电机的步距角为1.8°，在无细分的条件下，步进电机转1圈需要200个脉冲。为了提高控制的精度，将步进驱动器的细分系数选择4,此时步进电机转1圈需要800个脉冲。由于机械手丝杠的螺距为5 mm，因此，在X轴方向发送1 904(11.9×8÷5)个脉冲，在Y轴方向发送7 904(49.4×800÷5)个脉冲，可到达1号位置。

图6 机械手自动运行程序流程图

机械手到达1号位置时，Z轴气缸下降吸取工件后上升，前进至2号位置。在X轴方向，2号位置距离1号位置为160 mm，在Y轴方向，2号位置距1号位置为140 mm，因此需要发送脉冲分别为25 600个和22 400个。

机械手到达2号位置，进行工件释放，释放后延时2 s，再进行工件吸取，并前进至3号位置。在X轴方向，3号位置距2号位置为0 mm，在Y轴方向，3号位置距2号位置为160 mm，因此，X轴不需发脉冲，Y轴发送22 400个。到达3号位置进行工件释放，释放后延时2 s，回到1号位置，进入下一个周期。

5 触摸屏画面设计

采用三菱触摸屏作为机械手的人机界面，分别设计欢迎主界面、手动控制界面、自动控制界面。用GT-desinger软件的工程向导依次完成触摸屏的系统设置、连接机器设置、画面切换元件的设置等。机械手手动控制画面如图7所示，欢迎主界面、自动控制界面与手动控制画面相似。

欢迎主界面中手动与自动按钮属于多用动作按钮，具有位开关与画面切换两种功能。手动控制界面中的X轴正转点动、反转点动、回原点、停止开关分别与PLC辅助继电器M0—M3对应；Y轴正转点动、反转点动、回原点、停止开关分别与PLC辅助继电器M10—M13对应；气缸上升与下降、吸取与释放分别与PLC的辅助继电器M20—M23对应，以上开关均属于位开关、点动属性。

气缸动作指示灯分别与PLC的实际输出Y4—Y7对应，属于位状态指示灯。返回主界面按钮属于画面切换开关。自动控制界面中启动、停止、复位按钮分别与PLC的辅助继电器M32、M41、M40对应，属于位开关、点动属性。

图7 机械手手动控制画面

6 结束语

本系统应用了PLC技术、触摸屏技术、步进电机控制技术等，通过PLC编程，可实现任一位置的精确定位功能。实践表明，该系统操作方便、运行可靠、定位精确、使用效果良好。其方法与技术可扩展到机械、冶金、化工等行业，具有广阔的应用前景。