PLC数控机床上料机械手控制系统设计

黄 鸣

(集美大学诚毅学院， 福建 厦门 361021)

PLC数控机床上料机械手控制系统设计

黄 鸣

(集美大学诚毅学院， 福建 厦门 361021)

设计了机械手控制系统的硬件及软件系统，编制了机床的手动、自动控制程序。基于自动控制程序编写了自动控制步进梯形图。基于PID和模糊控制理论编写了控制系统的初始化及自动报警程序。

机床； 机械手； 自动控制原理； 控制系统

0 引 言

随着科学技术的飞速发展，机械手逐渐得到专家学者的青睐，并且在机械、航空航天及农业等多行业有着广泛应用。随着机械手的广泛应用，国内外越来越多的专家开始对机械手展开研究。在国内，赵云伟[1]研究了气动柔性五指机械手的运动学及抓持能力；王建军[2]研究了搬运机械手仿真设计和制作；邢天羿[3]研究了微小型救援机械手的正、逆运动学仿真分析；陈燕[4]针对荔枝采摘机械手机构设计及运动学仿真进行了研究；曹中一[5]研究了喷浆机械手时间最优与脉动最优轨迹规划；林海波[6]等研究了基于ADAMS机械手的动力学分析。在国外，Azadivar F[7]研究了仿真优化的方法优化机械手的结构设计；Reynolds P[8]基于动态有限元模型对停车机械手的研究。虽然国内外专家学者对机械手的研究逐年增多，但是大都集中在机械手的结构设计及优化方面，对机械手控制系统的研究还处在起步阶段。文中基于PLC的机床上料装夹机械手控制系统设计,可以为今后的机械手控制系统设计提供指导意义。

1 系统组成及功能介绍

基于PLC的机床上料机械手由行车卡爪、连接分度盘及机械手卡爪组成。其控制系统设计选用基于PLC的自动化控制系统。基于PLC的机床上料机械手首要功能便是装载，装载过程如下：行车行进过程中定位，行车卡爪下降，机械手卡爪抓住重物，行车机械手上升，送料到装载台[9]。文中行车机械手可实现多自由度的装载，转向由液压系统或者气动系统控制。

文中设计的自动控制机械手的结构如图1所示。

图中的夹爪缸、升降缸、伸缩气缸和旋转气缸分别实现卡爪对重物的抓取、机械手的升降、机械手的左右伸缩及机械手的旋转；图中调理组合和电磁阀组合分别实现机械手位置精度的调节及机械手的动力提供。

图1 自动控制机械手

气动功能原理[10]如图2所示。

从图2可以看出，机械手的运动感知主要依靠信号开关。运动行程的左右极限由电感式传感器控制，伸缩气缸的前后极限由电磁开关控制，机械手的升降由标准电磁控制。

图2 气动功能原理

2 基于PLC的机械手控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

控制系统组成包括被控对象、控制系统、执行机构及反馈系统。控制系统开始启动之前，气缸的初始位置应该通过控制面板提前设定好，并且气缸的初始值信号获取由S7-200执行，然后将信号传递给控制系统，此后控制系统控制执行机构执行机械手的运动，最终通过反馈系统对执行信号进行反馈[11]。

基于上述设计的控制系统绘制的模拟实验面板如图3所示。

图3 模拟实验面板

YV1～YV5及HL与其对应的下方的Q0.0～Q0.5相连接作为输出端；

SB1和SB2分别接I0.0、I0.5作为输入端；

SQ1～SQ4分别与主机上的I0.1～I0.4相连接。

基于PLC的机床上料机械手的输入/输出系统的地址分配情况见表1。

通过表1所示的地址分配可以知道启动，停止，上、下限，左、右限及机械手的运动控制情况。

表1 输入/输出系统的地址

基于PLC的机床上料机械手的控制系统的外部接线如图4所示。

图4 机械手控制系统外部接线

从图4可以看出，机械手的下降行程开关与Q0.0串联；夹紧的控制线路接在Q0.1端；上升的控制线路接在Q0.2端；右移动作的控制路线接在Q0.3端；左移动作的控制路线接在Q0.4端。

机械手的动作过程可以描述如下：机械手处在准备开始动作时，上、下限位开关在接通状态，位移寄存器准备动作，使得寄存器处在接通状态，此时，Q0.5指示灯亮。启动开始由SB1开关控制，按下SB1开关，上、下限位开关分别开始动作，当行车机械手下降时，下限位开关启动，并控制下移的距离[12]；下移达到预定距离时，左、右行程极限开关准备动作，准备抓取重物时，左开关动作，控制前伸距离，当抓取动作执行时，夹紧开关开始动作；抓取结束后，采取反动作将重物装载；装载过程如下：按下SB1开关，上限位开关开始动作，并控制机械手向上移动的距离[13]；上移达到预定距离时，右行程极限开关准备动作，准备装载重物，装载完成后，右限位开关控制机械手往右缩进，完成动作，断开SB1开关。其他开关功能在此不再一一详述。

2.2 控制系统程序设计

基于PLC的控制系统除了硬件系统外，还包括由程序组成的软件部分。在进行PLC程序编写之前，应首先绘制整体程序结构图，如图5所示。

由图5可知，X012为手动方式控制开关，当输入点X012接通时，手动程序开始执行；X013为自动方式控制开关，当输入点X013接通时，手动程序开始执行。

图5 总体程序结构图

手动操作如图6所示。

图6 手动程序设计

手动操作程序可以实现机械手的手臂升降、手臂伸缩、机构左右旋转、吸气、放气及复位的运动。自动操作控制程序如图7所示。

图7 自动控制程序

在“自动”工作方式下，本机械手的运动是以开关量作为转移信号，按所设计的工艺流程一步一步地进行工作，其控制过程为顺序循环控制。当机械手完成一次物料的吸放任务后，返回原位为下一个任务做好准备。

基于上述自动控制程序及手动控制程序可以编写自动控制步进梯形图，如图8所示。

图8 自动控制步进梯形图

基于PLC的自动控制系统可以实现机械手动作的自动控制，但是在操作过程中，机械手的故障在所难免，鉴于此原因，文中基于模糊控制理论及PID理论设计了机械手自动控制系统的初始化及自动报警程序。此程序可以实现机械手的实时监控及报警功能。初始化及自动报警程序如图9所示。

图9 初始化及自动报警程序

3 结 语

设计的基于PLC的机床上料装夹机械手的控制系统属于PLC-传感反馈系统-气动增压系统组成的典型的自动化控制系统。首先，设计了机械手控制系统的硬件系统及软件系统，并且编制了机床的手动、自动控制程序；其次，基于自动控制程序编写了自动控制步进梯形图；最后，基于PID和模糊控制理论编写了控制系统的初始化及自动报警程序。文中所设计的机械手弥补了电感线圈功率小的缺陷，利用PLC功率大的特点，集优势于一身，必将推动基于PLC的机械手控制系统设计、研发等方面的发展。

[1] 赵云伟,耿德旭,刘晓敏,等.气动柔性五指机械手的运动学及抓持能力[J].机器人,2014(2):171-178.

[2] 王建军.搬运机械手仿真设计和制作[J].机械设计与制造,2012(9):146-148.

[3] 邢天羿，刘春明， 张邦成，等. 微小型救援机械手的正、逆运动学仿真分析[J].长春工业大学学报,2015,36(1):34-37.

[4] 陈燕,邹湘军,徐东风,等.荔枝采摘机械手机构设计及运动学仿真[J].机械设计,2010(5):31-34.

[5] 曹中一,王鹤,吴万荣,等.喷浆机械手时间最优与脉动最优轨迹规划[J].中南大学学报：自然科学版,2013(1):114-121.

[6] 林海波,王延兵,张毅.基于ADAMS机械手的动力学分析[J].制造业自动化,2012,22:80-83.

[7] Azadivar F. A simulation optimization approach to optimum storage and retrieval policies in an automated warehousing system [J]. Proceeding of the WSC’84 Winter Simulation Conference,1984,16:207-214.

[8] Reynolds P. Dynamic FE modelling of a multi-storey car park verified by modal testing [J]. Proceedings of the International Modal Analysis Conference,1999(2):7-13.

[9] Li Tzuu-Hseng S. Design of a dynamic fuzzy controller IC with application to garage parking control [J]. IEEE International Conference on Fuzzy Systems,2000(2):239-244.

[10] Goetz Robert E. Duquesne university parking garage management and design modifications [J]. Institute of Transportation Engineers Annual Meeting and Exhibit,2007(2):1213-1228.

[11] 李海鹏,邢登鹏,张正涛,等.宏微结合的多机械手微装配机器人系统[J].机器人,2015(1):35-42.

[12] 赵美宁,王佳.自动供料机械手的PLC控制系统设计[J].液压与气动,2007(9):57-60.

[13] 陈祝权,梁晓合,林粤科,等.六自由度串联机器人结构设计及有限元分析优化[J].机床与液压,2013,23:97-101.

DesignofcontrolsystemofvehicleloadingmanipulatorbasedonPLC

HUANG Ming

(Chengyi College, Jimei University, Xiamen 361021， China)

Both the software and hardware of a traffic loading manipulator is designed based on PLC, including manual and automatic control program. The automatic control ladder diagram is programmed. Based on PID and fuzzy control, initial and alarm program is also worked out.

machine tool; manipulator; principle of automatic control; control system.

2017-07-20

集美大学诚毅学院青年科研基金资助项目(CK17001)

黄 鸣(1981-)，男，汉族，台湾淡水人，集美大学诚毅学院讲师，硕士，主要从事机械原理与机构学以及工程图学方向研究,E-mail:huangming0099@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.5.18

TP 241

A

1674-1374(2017)05-0506-06