基于PLC的桁架机械手控制系统设计

程晟

（山西能源学院 机电工程系，山西 晋中 030600）

0 引言

近年来，随着我国科学技术的日益发展与完备，机械设计制造及自动化行业在此大背景下，呈现出较快的发展势头，有力地推动了我国社会经济的持续、高速、稳健发展[1]。在欧美日等发达工业国家，由加工中心和桁架机械手组成的敏捷柔性生产系统已经是主流产品。桁架机械手作为柔性输送系统，已成为柔性加工自动线中的重要组成部分[2]。桁架机械手将在推动中国产业智能化的进程中起到举足轻重的作用。桁架式机械手也叫龙门式机器人，属于直角坐标机器人的一种。机械加工行业所设计的桁架式机械手与数控机床的结合，可以实现在该设备或多设备之间的工件自动抓取、上料、下料、工件转序加工[3]。桁架机械手与机床是构成自动加工生产线的主要设备，可实现全部工艺过程中的工件自动抓取、上下料、装夹、工件移位翻转、工件转序加工等操作[4]。

桁架机械手由机械结构、电动、气动回路和控制系统等部分组成。本次设计的桁架机械手可以与自动生产线配合，完成以大批量生产为基础的小型部件生产运输，具有良好的经济价值。与关节式的工业机器人相比，桁架机械手有以下特点：1）工作行程自由设计，节省工作空间；2）制造成本较低，制造工艺简单，后期维护方便；3）结构简单，便于安装与调试；4）稳定性和精确度高；5）拓展能力强，可根据实际需要为机械手更换不同的工作部件，具有工作多样性及生产方式的高适应性。

1 桁架机械手结构设计

桁架机械手结构为两轴式（如图1），由桁架主体、X轴进给传动机构、Z轴进给传动机构、桁架机械手夹取装置、工件工位摆放台等组成。桁架主体安装在工件摆放台上，立柱支撑X轴和Z轴分别设有导轨和进给传动机构，气动手夹取装置安装在Z轴下端。

图1 桁架机械手结构

X轴横梁距离长、负载大，容易导致弯曲，而使X轴的水平度不够导致Z方向产生距离误差，也使得X方向运行流畅度降低。故对X方向平直度和刚度均具有一系列要求。本设计以滑轨控制运动轨迹，以滚珠丝杠驱动水平进给运动，通过固定轴承将X轴的滚珠丝杠进行轴向固定，轴端安装有步进电动机，驱动滚珠丝杠旋转运动，带动滚珠螺母进行轴向移动，滚珠螺母与滑块之间固定，实现滑块X轴进给带动进给运动。通过安装在滑块上的一个位置传感器定位三工位对应X轴方向位置，通过X轴桁架固定的限位传感器对X轴运动进行限制。

Z轴实现上下进给运动，保证手臂强度和刚度，同时保证其在重力作用下的位置控制，使自身单元能实现平稳流畅的高速运动并保证较高精度的定位。此方向的驱动电动机采用了带抱轴功能的伺服电动机。Z轴是通过滚珠螺母固定在X轴滑块上，Z轴滚珠螺母并不进行Z轴方向的运动，也不转动，是滚珠丝杠相对固定的螺母转动，从而实现整体在Z轴方向的上下运动。这样设计的好处是可以保证Z轴的手臂强度和刚度，并且有足够空间安装气动机械夹爪。在传感器设置方面，通过安装在固定桁架结构上的一个位置传感器定位三工位对应Z轴方向位置，通过桁架固定的限位传感器对Z轴运动进行限制。

通过X轴与Z轴的电动机控制就可以完成气动夹爪在竖直平面的复合运动，在此位置安装气动机械夹爪，配合工件工位摆放台的光电传感器，通过气压传动系统，完成桁架机械手装置的相关夹取动作。

2 桁架机械手电动机计算选型

已知工作台与工作物的总质量M，工作台与工作物移动时的最大速度为Vl，丝杠直径为D，丝杠全长为L，丝杠导程为PB，螺杆机构的机械效率为η，滑动面摩擦因数为μ，移动量为l，总移动时间为t0。

1）桁架机械手X轴电动机拟采用步进电动机，其选型计算过程如下。先分析其运动的电动机速度曲线图，如图2所示。

图2 电动机速度曲线图

步进电动机加速时间计算公式为

电动机所需转动速度计算公式为

步进电动机负荷转矩计算公式为

然后进行步进电动机负荷惯量计算。

直线运动的负荷惯量计算公式为

滚珠丝杠的负荷惯量计算公式为

总的负荷惯量计算公式为

再进行电动机转矩计算。

启动转矩计算公式为

必需转矩计算公式为

式中：S为安全系数；JM为电动机转子惯量，kg·m2。

通过如上计算过程，初步选择电动机型号为步科Kinco2S56Q-02054，该电动机的转子惯量为JM=0.24×10-4kg·m2，最大转矩为0.135 N·m。该电动机满足选型要求。

2）桁架机械手的Z轴拟采用伺服电动机，其选型计算过程如下。首先计算折算到电动机轴上的负载惯量。

重物折算到伺服电动机轴上的转动惯量计算公式为

螺杆转动惯量计算公式为

总负载惯量计算公式为

电动机转速计算公式为

再计算伺服电动机驱动负载所需要的转矩。

克服摩擦力所需转矩计算公式为

重物加速时所需转矩计算公式为

螺杆加速时所需要转矩计算公式为

加速所需总转矩计算公式为

下面计算瞬时最大转矩。

加速转矩计算公式为

匀速转矩计算公式为

减速转矩计算公式为

实效转矩计算公式为

选择伺服电动机的要求为：额定伺服电动机转矩T>Tf且T>Trms，且最大伺服电动机转矩Tmax>Tf+TA。由以上2个条件选择合信E10系列的CTSDM16-B2012-M100伺服电动机。

传动系统的主要元器件及品牌型号如表1所示。

表1 传动系统的主要元器件列表

3 气动回路设计

实际被抓取物的质量较轻，所以机械手的抓取能力需求低，可将桁架机械手设计成由气缸作用完成抓取和放开动作的气压驱动式的机械手，这就需要一套与之配套的完整的气动传动系统。设计桁架机械手的气压系统如图3所示。

根据气动传动系统为气路各主要器件选型，结果如表2所示。

表2 气动传动系统主要器件表

4 机械手控制系统设计

桁架机械手控制系统包括主控制器PLC及输入输出设备。控制器采用西门子品牌PLC，由电源、I/O口、存储器及通信端口组成；输入设备包括电感式、光电式、磁感应传感器和控制按钮；输出设备主要有电磁换向阀、电动机驱动器。

该桁架机械手的PLC需要14个I点数，都为数字量点；8个O点数，包括4个数字量点，4个模拟量点，只需要一个小型PLC控制器即可。

所需PLC存储器容量粗略估算为（18÷8×15+8×100）×125%≈1042 B。

选择PLC的通信功能以电脑为主站、PLC为从站，搭配组成PLC检测控制网络。因为点数需求少，选择PLC的机型为整体式。选择西门子S7-1200中的CPU 1214C DC/DC/DC的PLC为该桁架机械手的可编程逻辑控制器。

对PLC的I/O口进行功能分配，如表3所示。

表3 PLC的I/O口分配表

对桁架机械手运动路径进行分析，可得机械手运动路径，如图4所示。

图4 机械手运动路径图

打开开关，机械手在桁架上寻找零点，先右移寻找X轴零点，再上移寻找Z轴零点，接下来右移到X轴一号位，机械手再向下移动到Z轴一号位，进行物料抓取，抓取物料后向上移动到Z轴二号位，再向右移动至X轴二号位，然后向下移动至Z轴三号位，机械手松开物料，同时物料二号位的气动机械手夹紧气缸，最后机械手先向上移动到Z轴零点位置，再在X轴向左移动回到X轴零点位置。

由此可以设计出桁架机械手的控制流程，如图5所示。

图5 桁架机械手的控制流程图

5 结论

本文设计的二轴式桁架机械手以PLC为控制核心，滚珠丝杠、电动机、夹爪气缸为执行机构，编码器、传感器为反馈元件。通过PLC程序编译，实现对轻小物料实施精准的抓取和移动。该桁架机械手可以与自动生产线配合，完成以大批量生产为基础的小型部件生产运输，具有良好的经济价值。数字化信息的交流可实时记录生产情况，充实智能化生产线。

制造业是国民经济的主要支柱，也是今后我国经济“创新驱动、转型升级”的主战场[5]。在两化融合的今天，桁架机械手在生产、运输等各行各业广泛采用，无论从生产质量、运输速度、经济效益等各方面来衡量，都已经远远超过原来的生产模式。桁架机械手有较强的负载能力，结构简单，调试方便，适用于大体积和大质量的货物，还可以和输送线、运料小车等联网联动，实现更为综合的仓储系统[6]。未来我国制造业在新业态、新气象下的发展，将会使桁架机械手与智能化、自动化的关系更加密切。