潘平盛
廣東理工學(xué)院工業(yè)自動化系，廣東肇慶 526040
摘要：為滿足工業(yè)生產(chǎn)要求和提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，設(shè)計了一種新型的工業(yè)生產(chǎn)線自動化搬運碼垛機械手及控制系統(tǒng)。介紹了碼垛機械手結(jié)構(gòu)及檢測柜平臺的設(shè)計與安裝、機械末端氣動控制系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)。提出觸摸屏作為上位機，以PLC作為控制器，三位五通換向電磁閥、伺服電機、氣缸為驅(qū)動設(shè)備的電氣機械手控制方法，重點講解了氣動回路、控制系統(tǒng)的硬件組成以及PID參數(shù)對控制伺服電機影響。最后，對整個電氣控制系統(tǒng)回路進行調(diào)試和實驗。實驗數(shù)據(jù)表明：該電氣控制系統(tǒng)設(shè)計合理，能夠達到企業(yè)的生產(chǎn)要求。
關(guān)鍵詞：自動化生產(chǎn)線；控制系統(tǒng)；氣動回路；PLC
1引言
隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展、人民美好生活對物質(zhì)提高了要求，特別是對飲食和衣著方面。因此，提高生產(chǎn)技術(shù)至關(guān)重要，而在工業(yè)生產(chǎn)中，機械手具有穩(wěn)定性高、操作簡單、以及高效率等特點，很好的適應(yīng)在特殊場合和工作環(huán)境中，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-2]。目前，我國碼垛機械手控制系統(tǒng)上取得很大突破和研究。例如：文獻[3]研究的玻璃檢測機氣動系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計了一種氣動控制的玻璃檢測機機械臂，并闡述了其工作原理；文獻[4]設(shè)計了鋼化玻璃碎片快速檢測裝置，對裝置結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，實驗數(shù)據(jù)也能很好地驗證其檢測效果；文獻[5]對板材下料自動拾取機器人控制系統(tǒng)進行的設(shè)計，利用Simulink對機器人結(jié)構(gòu)進行了分析和仿真。
設(shè)計的碼垛機械手是一種直角坐標(biāo)式機械手，執(zhí)行裝置是伺服電機和氣缸。機械手末端的夾取通過氣缸的伸縮來完成，而X、Y、Z三個方向的運動通過伺服電機的旋轉(zhuǎn)來帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)前后、左右、上下直線運動。碼垛機械手創(chuàng)新點和優(yōu)點在于：（1）X、Y、Z三個方向的運動通過伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，運動過程中負(fù)載能力強；（2）結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，降低生產(chǎn)成本。
2機械手平臺的搭建及系統(tǒng)控制要求
2.1機械手基本組成結(jié)構(gòu)
機械手主要由支架3.Y方向的移動臂、4.Z方向的升降臂、6.末端吸盤以及10.電機組成，如圖1所示。機械手主要安裝在傳輸線兩側(cè)，如圖2所示。左側(cè)是將傳輸線上產(chǎn)品抓取并放入檢測柜的每一層中，右側(cè)機械手平臺主要是將檢測完成的產(chǎn)品取出并放入傳輸線。產(chǎn)品檢測柜平臺，主要組成有多層架構(gòu)、產(chǎn)品檢測儀。其作用是將傳輸線上傳送過來的待檢產(chǎn)品進行檢測。而多層架構(gòu)可以實現(xiàn)快速擺放并進行檢測，提高檢測和抓取效率。
圖 1 碼垛搬運機械手平臺
圖 2 自動化生產(chǎn)線碼垛柜平臺
2.2機械手控制要求
將待檢產(chǎn)品經(jīng)左側(cè)傳輸帶傳輸?shù)綑z測柜處，左側(cè)機械手將產(chǎn)品依次碼放在檢測柜的各層之間，待檢測完成后，右側(cè)機械手依次抓取并存放在右側(cè)傳輸帶中進入下一道工序繼續(xù)加工處理。機械手抓取工步順序具體要求如下：
抓取工步要求：
（1）X、Y方向水平移動情況：X方向移動是靠導(dǎo)滾珠絲杠完成的，而Y方向移動是靠導(dǎo)軌系統(tǒng)完成的，兩者都是由PLC脈沖輸出位置控制功能驅(qū)動伺服放大器控制伺服電機精確定位。
（2）變頻調(diào)速：控制過程中采用變頻器進行調(diào)速，便于控制機械臂前后、左右、上下運動。
（3）整個碼垛搬運過程可以由兩種操作方式完成搬運動作：
自動循環(huán)操作：按下啟動按鈕，機械手按照人為設(shè)定的控制程序連續(xù)完成碼垛搬運工作，直到按下停止按鈕，否則搬運工作一直進行；
手動操作：在設(shè)計過程中，末端吸盤吸取、X方向前后移動、Y方向左右移動、Z方向升降等8個動作步設(shè)置8個按鈕，分別控制機械手運動。
（4）末端吸盤吸附和松開、X方向移動、Y方向移動、Z方向升降等運動能實現(xiàn)精確定位，且每個動作相互之間必須有互鎖作用。
（5）機械手末端真空吸盤必須氣密性良好。
3氣動回路設(shè)計
3.1氣動回路基本組成
氣動回路組成包括：氣源裝置、介質(zhì)、執(zhí)行元件、控制元件、輔助部分[7]。機械手末端氣動原理圖，如圖3所示。主要由過濾器、調(diào)壓閥、電磁閥、換向閥、夾持氣缸組成。
電磁鐵動作順序，如表1所示。首先，當(dāng)工件到達指定位置時，三位五通電磁換向閥左側(cè)YV1、換向閥YV3同時得電，處理后的氣體快速進入，使得機械手末端吸盤實現(xiàn)碼垛吸附；其次，當(dāng)機械手運動到碼垛指定擺放位置時，三位五通電磁換向閥右側(cè)YV2、換向閥YV4同時得電，機械手末端實現(xiàn)碼垛松開，此時碼垛進入傳送帶進入下一道工序；最后，當(dāng)YV1、YV2、YV3、YV4同時都處于失電情況下，機械手末端吸盤處于原位保持，等待下一個命令啟動。
圖 3 機械手末端氣動原理圖
表 1 控制系統(tǒng)電磁閥動作順序表
3.2電氣元件選型
設(shè)計的機械手控制系統(tǒng)中主要相關(guān)元器件型號，如表2所示。
3.3機械末端夾取吸盤力計算
末端執(zhí)行機構(gòu)吸盤臂上安裝1個吸盤，如圖1所示。吸盤直徑為：
式中：G—碼垛重量，單位N；t—安全系數(shù)，當(dāng)水平吸附碼垛時t≥4；n—洗盤的個數(shù)，此時n=1；P—吸盤真空度，單位為MPa；R — 吸盤直徑，單位mm。
試驗中，一塊碼垛的平均重力G=200N，單個吸盤直徑R= 160mm，因此在水平吸附吸附下，吸盤的真空度分別為：
4機械手控制系統(tǒng)設(shè)計
4.1系統(tǒng)硬件組成
機械手控制系統(tǒng)硬件組成包括：主控器PLC和外部輸入輸出設(shè)備。主控制器采用三菱PLC，包括電源、I/O、存儲器以及通訊端口；輸入設(shè)備包括傳感器、控制按鈕、控制面板以及觸摸屏；輸出設(shè)備主要包括電磁閥、變頻器、繼電器以及負(fù)載，例如報警燈，鳴笛等[8]。
4.2PLC編程
機械手控制系統(tǒng)主要有兩種控制模式：手動開關(guān)控制和觸摸屏控制。主控器三菱PLC上的I/O口作為輸入、輸出，控制著整個機械手動作。在手動控制情況下，需要8個開關(guān)控制著X、Y、Z方向的輸出伺服電機以及末端輸出夾取電磁換向閥，方便手動調(diào)試和檢修；在觸摸屏控制方式下，有單周期和自動循環(huán)選擇，通過點擊觸摸屏軟開關(guān)向觸摸屏輔助繼電器M發(fā)出命令，從而控制輸出線圈變化；其中M1作為單周期和自動循環(huán)選擇命令，M2為復(fù)位命令，M3為啟動命令，M0為等待搬運狀態(tài)命令。機械手控制系統(tǒng)PLC的I/O分配，如表3所示。當(dāng)機械手系統(tǒng)初始化完成之后，在觸摸屏控制模式下，按下啟動按鈕M3時，機械手完成左移、右移、前進、后退、上升、下降、夾取、松開等多個工序，控制流程圖，如圖4所示。
圖 4 機械手功能流程圖
4.3伺服電機控制模型
機械手控制系統(tǒng)分為：傳輸模塊和搬運模塊。皮帶輪傳輸和搬運機械手X、Y、Z方向移動主要通過控制伺服電機，機械手才能夠完成左移、右移、前進、后退、上升、下降、夾取、松開等多個工序。因此，伺服電機控制的研究對機械手的運動位置和速度具有重要的意義。伺服電機的物理模型，如圖5所示。
圖 5 伺服電機物理模型
中：Ua—電樞輸入電壓（V）；Ra—電樞阻值（H）；La—電樞電感（H）；ia—電樞電感（A）；Uq—電樞電感（V）；J—轉(zhuǎn)動慣量；θ—轉(zhuǎn)角（rad）；B—粘性阻尼系數(shù)（N.m.s）；Tg—電機電磁轉(zhuǎn)矩（N.m）。
根據(jù)牛頓第二定律及基爾霍夫定律[9]，對圖6示意圖列出方程組：（3）
經(jīng)過來普拉斯變換法，消除中間變量，得到傳遞函數(shù)為：
（4）
其中，J=3.23，B=3.51，Ra=4.00，La=2.75，Kt=Ke=0.03。
5觸摸屏界面建立及樣機實驗
5.1建立觸摸屏界面
機械手控制系統(tǒng)監(jiān)控建立在工業(yè)組態(tài)基礎(chǔ)上，設(shè)計中我們采用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為本次試驗的監(jiān)控設(shè)備，在MCGS中建立搬運機械手變量和PLC變量，并且將兩者變量相互建立關(guān)系，最終得到系統(tǒng)聯(lián)機界面監(jiān)測，如圖6所示。
5.2仿真結(jié)果和分析
將整個控制系統(tǒng)線路連接之后，設(shè)置電機驅(qū)動器不同的PID參數(shù)，如表4所示。通過操作上位機，測試出在不同PID參數(shù)下機機械設(shè)計與制造No.410Apr.2020械手運行狀態(tài)（包括平穩(wěn)程度、達到平穩(wěn)狀態(tài)所需要的時間），如表4所示。利用Matlab仿真實驗得出電機趨于穩(wěn)定運行狀態(tài)的最優(yōu)參數(shù)，且Matlab仿真PID控制方式下的階躍響應(yīng)曲線，如圖7所示[10-11]。
圖 7 PID 控制階躍響應(yīng)圖
對比P、PI、PD、PID控制參數(shù)表表4和PID控制方式下的仿真曲線圖7，可以看出：
（1）PID控制方式下，系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定狀態(tài)，所需要的時間最小。
（2）對比P、PI、PD、PID控制方式下，系統(tǒng)的平穩(wěn)度從波動、微波動、相對平穩(wěn)、穩(wěn)定等狀態(tài)逐步趨于穩(wěn)定。
（3）PID控制的響應(yīng)曲線在輸出值沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)之前，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。
（4）PID控制輸出響應(yīng)曲線達到穩(wěn)定的時間為0.008s，響應(yīng)速度比P、PI、PD控制明顯提高，且沒有靜態(tài)誤差。
因此，碼垛機械手X、Y、Z方向電機控制系統(tǒng)采用PID控制，PID控制比P、PI、PD控制其性能明顯提高，超調(diào)較小，穩(wěn)定時間快，具有更好的動態(tài)性能。
6 結(jié)論
設(shè)計的機械手是一種直角坐標(biāo)式機械手，執(zhí)行裝置是伺服電機和氣缸：
（1）以碼垛搬運機械手為研究對象，設(shè)計了其自動化控制系統(tǒng)，介紹了機械手結(jié)構(gòu)圖、氣動回路、電機控制、系統(tǒng)硬件組成、以及 PLC的 I/O分配；
（2）建立控制電機模型，利用組態(tài)王軟件建立人機交互按界面，通過Matlab仿真不斷調(diào)節(jié) PID參數(shù)，得出P、PI、PD、PID控制下的伺服電機最優(yōu)控制參數(shù)和階躍響應(yīng)圖。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，PID控制下其性能明顯提高，超調(diào)較小，穩(wěn)定時間快，具有更好的動態(tài)性能，能夠滿足設(shè)計要求。
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