基于PLC的六自由度机械手控制系统设计

□□ 朱娟娟，张爱民

(1.山西职业技术学院，山西 太原 030006；2.山西科达自控股份有限公司，山西 太原 030006)

引言

随着工业生产自动化、智能化的飞速发展,机械手的应用日益广泛。它可代替人工完成一些单调、操作重复及繁重的工作任务，或者是在高温、大噪声、多粉尘等危险及恶劣环境中的工作，如工件分拣、物料搬运、焊接、喷涂、塑料制品成型等。机械手的应用既能节约人工成本、降低劳动强度、提高产品质量和生产效率，实现生产的机械化和自动化，又能保障人身安全，提高生产的安全性。

下面以PLC为核心，采用伺服电机驱动和液压驱动的混合驱动方式，由拉线位移传感器和编码器反馈位置信息，在触摸屏进行系统操作，实现六自由度机械手对管件的自动搬运。系统集电动式和液压式驱动的优点于一体，结构简单、抗干扰能力强、成本低、系统响应快、控制精度高。

1 机械手系统组成及控制要求

机械手设计是用于搬运管件的六自由度机械手，主要由执行机构、驱动机构和控制系统三部分组成，控制系统发出信号给到驱动机构，驱动机构发出指令给执行机构[1]，完成控制要求。执行机构包括底座、大臂、小臂、手抓；控制系统以PLC为核心，通过编写、修改程序来实现对机械手运行动作的控制；驱动机构采用电液混合驱动方式，其中，机械手底座旋转、大臂升降、小臂伸缩、手抓抓放采用液压驱动，手腕的俯仰和旋转采用电气驱动。机械手系统组成如图1所示。

图1 机械手系统组成

1.1 机械手的机械结构

机械手的机械结构示意图如图2所示。机械结构由底座(带编码器)1、支撑柱2、大臂3、小臂4、手抓组件5、连接组件6、大臂油缸7(带拉线位移传感器)、小臂油缸8(带拉线位移传感器)等部件组成。

图2 机械结构示意图

1.2 机械手控制要求

机械手可完成底座旋转、大臂升降、小臂伸缩、手腕旋转、手腕俯仰、手抓抓放六个自由度的动作。能够搬运管件，手抓夹持范围<10 cm，底座旋转角度为±180°，手腕俯仰角度为±90°，手腕旋转角度为±180°。

机械手通过触摸屏进行控制操作，有手动和自动两种工作方式。手动工作方式时，可通过点击触摸屏上“手动模式”界面中相应的按钮，使机械手臂点动执行某一个轴的动作。自动工作方式下，机械手按流程自动完成整套动作，流程如下：启动→抓手松开→运行至管件位置(准备抓取)→抓手紧(完成抓取)→底座右转→小臂伸出→手腕旋转、俯仰→底座左转→运行至放管位置(准备放管)→抓手松(完成放管)→回原位→抓手紧。

2 机械手控制系统

2.1 系统组成

在机械手控制系统中，电气控制系统至关重要，而中央控制单元又是电气控制系统的核心。因PLC具有性能优良，性价比高，抗干扰能力强，编程简单易上手，适用于较复杂的生产环境，系统体积较小，能耗低等[2]优点，因而机械手控制系统采用PLC系统，选用的是台达AS200系列PLC AS228P-A。机械手控制系统主要由PLC、伺服驱动器、伺服电机、拉线位移传感器、舵机、电磁阀、编码器等构成。控制系统结构框图如图3所示。

图3 机械手控制系统结构框图

2.2 控制原理

机械手系统采用液压和电气混合的驱动方式。其中，机械手底座旋转、大臂升降、小臂伸缩、手抓抓放这四个自由度采用液压驱动，手腕的俯仰和旋转采用伺服电机驱动。

2.2.1 液压驱动方式

液压驱动采用一种新的电控液方法，使用小功率舵机、连接组件、阀门做成一种新的控制阀门，暂且将其称之为数字阀。舵机通过连接组件接到阀门上，用舵机带动阀芯调节阀门的开度，进而调节液压油的流量。以大臂控制为例，在大臂油缸的进(回)油管和回(进)油管上各安装一个数字阀，由安装在油缸上的拉线位移传感器对大臂油缸的活塞杆伸出和缩回的行程进行检测，依此来反馈机械手大臂升起和下降的位置。拉线位移传感器将检测信号传送给PLC，PLC给舵机发出脉冲信号，由舵机调节阀门的开度，进而控制大臂油缸活塞杆伸出和缩回的位置及速度，从而实现对大臂升起和下降位置及速度的控制。同理，通过控制小臂油缸进出油管中间的数字阀、液压马达进出油管中间的数字阀，可以实现小臂伸出和缩回及底座旋转位置与速度的控制。这种电控液方法解决了传统液压伺服控制技术系统复杂、抗干扰能力差、液压元件成本高、对液压油洁净度要求高、系统响应速度慢、控制精度低等问题。

2.2.2 电气驱动方式

电气驱动采用伺服驱动，由伺服电机和伺服驱动器两部分构成。拟采用两台伺服电机，一台用于驱动手腕的旋转运动，一台用于驱动手腕的俯仰运动。驱动器根据控制指令决定输出信号，通过PWM信号来驱动伺服电机[3]。伺服驱动器有多种工作模式，系统选用的是位置控制模式。伺服驱动必须使伺服电机与伺服驱动器匹配。普通电机不可以和伺服驱动器匹配，只有伺服电机才可以和伺服驱动器进行匹配。一般分为两种情况：一种是选用不同品牌的伺服驱动器和伺服电机。在进行匹配时，要检查额定电压与电流，伺服驱动器的输出电压需与伺服电机的额定电压一致，伺服驱动器的额定电流要不小于伺服电机的额定电流；另一种是选用同一品牌的伺服电机和伺服驱动器，通常在伺服驱动器的使用手册中有选型一览表，可以根据选型一览表的要求进行匹配。该系统选用的是松下伺服电机MHMF042L1和松下伺服驱动器MBDLT25SF011。

2.3 程序设计

每次在机械手开始运行前，都需使其完成一次复位动作，目的是保证机械手进行抓取前都在初始位置。系统由触摸屏发出指令给PLC来控制机械手的动作。机械手运行控制为顺序控制，采用步进顺控指令进行编程，顺序功能图如图4所示。

图4 顺序功能图

3 结语

通过采用台达PLC、松下伺服电机和伺服驱动器、台达触摸屏、数字阀等构建机械手的控制系统[4]，采用伺服电机驱动和液压驱动的混合驱动方式，设计了一种六自由度机械手搬运装置，实现了对管件的自动搬运。系统集电动式和液压式驱动方式的优点于一体，充分发挥液压出力大的优点，同时又减小了机械手爪部件的体积和质量，提高了空间利用率，机械手结构简单、控制灵活、易于操作，具有一定的生产应用价值。