往复移动式气动机械手的精确位置控制系统设计.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS F e b． 2 0l 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 2 3 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 3 0 0 2 2 2 摘要 介绍了往复移动式气动机械手的结构组成及各部件的作用 设计了气动回路及 P L C控制系统的硬件电路；分析 了利用旋转编码器进行精确位置控制的原理并设计了部分主要程序。该机械手具有控制简单、运行可靠 、位置控制方便 、 精度准确等特点，已被广泛应用于许多领域。 关键词 移动式机械手P L C；旋转编码器；位置控制 中图分类号 T P 2 4 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 3 - 0 8 9 3 De s i g n o f Pr e c i s i o n Po s i t i o n Co nt r o l S y s t e m f o r Re c i p r O c a t i n g Pn e um a t i c M o bi l e M a n i p ul a t o r L I J i a n g u o T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d e d u c a t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r u c t u r a l c o n s t i t u t e s o f t h e r e c i p r o c a t i n g p n e u ma t i c mo b i l e ma n i p u l a t o r a n d t h e f u n c t i o n o f t h e v a r i o u s c o mp o n e n t s w e r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l ． The h a r d w a r e c i r c u i t o f t h e p n e u ma t i c p a r t a n d t h e P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n t r o l l e r P L C c o n t r o l s y s t e m w e r e d e s i g n e d；b e s i d e s ，t h e p r i n c i p l e o f u s i n g r o t a r y e n c o d e r f o r p r e c i s i o n p o s i t i o n c o n t r o l wa s a n a l y z e d，a n d t h e ma i n p r o g r a ms we r e d e s i g n e d p a r t l y ． T h e d e s i g n e d ma n i p u l a t o r h a s s o me c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a s s i mp l e c o n t r o l ，r e l i a b l e o p e r a t i o n，c o n v e n i e n t p o s i t i o n c o n t r o l an d a c c u r a t e p r e c i s i o n，wh i c h a r e w i d e l y u s e d i n man y fi e l d s ． Ke y wo r d s Mo b i l e man i p u l a t o r ；PL C；R o t a r y e n c o d e r ；P o s i t i o n c o n t r o l O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 、P L C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 l 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 1 8 0 。 的往 复 旋转运动 ，并在 0和 1 8 0 两个位 置设 有限位开关 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 1 0 7 作者简介李建国 1 9 6 1 一 ，男 ，高级实验师，高级技师，主要从事 P L C控制技术方面的科研及教学工作。E- ma i l t j h x 2 0 0 5 1 2 6 ． c o rn。 9 0 机床与液压 第 4 3卷 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 P L C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 2 4 V 的 电磁阀控制 旋转气 缸 负责 机械 手臂 的 1 8 0 。 的 回 转 ，有 0和 1 8 0 。 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。 旋转气缸 2 图 2 气路原理 图 3 P L C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 S 7 ． 2 0 0 C P U 2 2 6 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 输入信号 输出信号 输入编号代号 信号名称 输出编号代号 信号名称 1 0 ． 0 编码 器 A信号 Q 0 ． 0 Y V 2 夹头气缸 电磁 阀 1 0 ． 1 编码器 B信号 Q O ． 1 Y V 1 升降气缸电磁阀 1 0 ． 2 S B 1 电机启动 Q 0 ． 2 Y V 3 旋转气缸电磁阀 1 1 0 ． 3 S B 2 电机停 止 Q o ． 3 Y V 4 旋转气缸 电磁 阀 2 1 0 ． 4 S B 3 电机点动 Q O ． 4 K M1 电机正转 1 0 ． 5 S Q 1 旋转气缸 0 。 限位传感器 Q 0 ． 5 K M 2 电机反转 1 0 ． 6 S Q 2 旋转气缸 1 8 o 。 限位传感器 1 0 。 7 S Q 3 前限位开关 I 1 ． o S Q 4 后 限位开关 3 ． 2 P L C控 制 系统硬 件 电路设 计 原理见图 4 。 根据输入及输出信号 P L C控制系统的硬件电路 如图 3 所示 。 AC2 2 0 V N o - t 一 YV 2 YV 1 YV3 Y V4 KM IK M 2 DC2 4V 0 ． 0 l O0 ． 1 I O0 ． 2l O0 ．3l O0 ． 4 I O0 ． l LI l M l ⋯ 0 ． 0 11 0 ． I O ．2 II O ．3 I l 0 ． 4 1 0 ．S Ⅱ n 6 lI O ． l M I 1 ． q⋯口Ⅻ ⋯ S B 1 S B 2 S B 3 s ol S Q2 S Q3 S Q4 图 3 P L C控制 系统 的硬件 电路 图 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 K M1 和 K M2 控 制正转 与反转 ，其 电路 K M 1 K M 1 KM 2 KM 2 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 P L C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 P L C输出，P L C的输出控制 第 3期 李建国往复移动式气动机械手的精确位置控制系统设计 9 1 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 P L C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 D C 2 4 V ／ 1 0 0 0 P ．即工 作 电源 为 直流 2 4 v，每旋 转一圈发 1 0 0 0个脉冲 。 同步齿形带 轮的直径如果为 3 0 m m，则 脉冲当量 堕里堕丝 。 ．。9 4 2 mm 齿形 带移 动 的 控制精 度 为 0 ． 0 9 4 2 m m，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 1 5 0 m m，停 止并 抓取物 品 分析 因为脉 冲当量 为 0 ． 0 9 4 2 ，所 以机械 手移 动 1 5 0 m i l l 相 当于编码器 发出 1 5 9 2 个 脉冲。 该控制要求的控制程序见图 6 。 S l l [ 。 a 子程序 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 。 参考文献 [ 1 ]袁森． 基于P L C的液压驱动式机械手动作设计[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 7 9 - 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