往复移动式气动机械手的精确位置控制系统设计

李建国

(天津职业技术师范大学，天津 300222)

0 前言

固定式气动机械手广泛应用于自动装配生产线，在提高生产效率、保障装配精度及降低操作者的劳动强度等方面都发挥了重要作用。

随着装配生产线自动化程度的不断提高，固定式的机械手已不能胜任多工位、长距离、宽面域的自动装配生产线的工作，取而代之是往复移动式气动机械手。

移动式机械手主要由移动平台和机械手共同组成，与固定式机械手相比较，具有工作范围大、精确的位置控制功能等特点，因此，移动式机械手在工业领域的应用会更加广泛，对移动式机械手的精确位置控制的研究，将有着很重要的实际意义。

文中将以移动式机械手模型为例，对常见的移动式械手的结构组成、气动回路原理、PLC系统精确的位置控制过程作较详细的设计与介绍。

1 往复移动式气动机械手的模型结构

1.1 往复移动式机械手的结构

往复移动式机械手模型结构见示意图1。主要由直线导轨、移动平台、旋转气缸、升降气缸、气动夹头、机械手臂、同步齿形带、直流电机、旋转编码器、接近开关等组成。

图1 机械手结构示意图

1.2 主要部件的作用

(1)直线导轨。支撑移动平台，机械手的移动距离由直线导轨的长度决定。

(2)移动平台。承载气动机械手，使之延直线导轨移动。

(3)旋转气缸。控制气动机械手作180°的往复旋转运动，并在0和180°两个位置设有限位开关。

(4)升降气缸。控制机械手臂和气动夹头上升和下降。

(5)气动夹头。夹紧和放松工件。

(6)接近开关。限制机械手的行程距离，使其移动不要超距。

(7)旋转编码器。位置检测元件，采用增量型旋转编码器，与PLC配合实现精确的位置控制。

(8)直流电机。机械手移动的动力元件。

2 气动回路设计

机械手臂的升降、回转及气动夹头的动作是由气动回路的控制实现的。气动夹头是由直线运动气缸和夹持装置组成，气缸伸出，夹头加紧，气缸回缩，夹头释放;升降气缸负责机械手臂的升降，该气缸与气动夹头气缸，分别由两个两位五通单电控直流24 V的电磁阀控制;旋转气缸负责机械手臂的180°的回转，有0和180°两个位置，该气缸由一个双电控两位五通电磁阀控制:在各气缸的进出回路分别设有单向节流阀，用来控制气缸动作的速度及稳定性。该气路组成简单、实用，完全满足移动机械手的动作要求。气路原理如图2所示。

图2 气路原理图

3 PLC控制系统设计

3.1 输入/输出点分配

根据气动机械手实现的功能及要求，该系统共有9个输入及6个输出信号。采用西门子S7-200CPU226满足要求，I/O地址分配及功能表见表1。

表1 I/O地址分配及功能表

3.2 PLC控制系统硬件电路设计

根据输入及输出信号PLC控制系统的硬件电路如图3所示。

3.3 直流电动机控制电路

直流电动机是移动式机械手做往复移动的动力元件，该电机由KM1和KM2控制正转与反转，其电路原理见图4。

图4 直流电动机原理图

4 机械手位置移动控制原理

从往复移动机械手结构示意图可知，机械手的移动，是通过同步齿形带，带动移动平台作往复移动的，齿形带移动的距离通过增量型编码器转换成相应的脉冲信号，此脉冲信号被PLC的高速计数器进行计数，其计数值与齿形带移动的距离存在着对应关系，当齿形带移动达到某一设定值时，通过高速计数器的计数值就可以控制PLC输出，PLC的输出控制电动机停止工作，从而实现了机械手的位置控制。利用编码器与PLC实现齿形带移动距离的控制原理见图5所示。

图5 齿形带移动距离控制原理

5 程序设计

按照不同的控制要求，机械手可以设计出很多种控制程序，在此不全部给出，在这只给出齿形带移动距离控制程序。为了控制齿形带的移动距离，必须知道编码器的脉冲当量，即一个脉冲对应齿形带移动的距离，也就是控制齿形带的移动精度。

5.1 脉冲当量的计算

旋转编码器选用DC24V/1000P，即工作电源为直流24 V，每旋转一圈发1 000个脉冲。

同步齿形带轮的直径如果为30 mm，则:

齿形带移动的控制精度为0.094 2 mm，为了提高控制精度还可以选用更高精度的旋转编码器。

5.2 控制程序

假设控制要求为:机械手移动150 mm，停止并抓取物品。

分析:因为脉冲当量为0.094 2，所以机械手移动150 mm相当于编码器发出1 592个脉冲。

该控制要求的控制程序见图6。

图6 控制程序

6 结束语

这种结构形式的可移动式机械手，结构简单、造价低廉、移动距离控制方便、精确，已在许多控制现场得到了应用。

［1］袁森．基于PLC的液压驱动式机械手动作设计［J］．机床与液压，2011，39(6):79－80．

［2］常斗南，李全利，张学武．可编程序控制器原理、应用、实验［M］．北京:机械工业出版社，2002．

［3］左健民．液压与气动传动［M］．北京:机械工业出版社，2008．

［4］张铁异．基于PLC的混合型机械手的设计与实现［J］．液压与气动，2008(9):6－8．