1引言

機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線［1］。筆者開發(fā)的用于熱處理淬火加工的物料搬運(yùn)機(jī)械手，采用plc控制，是一種按預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行工件分揀、搬運(yùn)和淬火加工的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化以及淬火工藝的要求隨時(shí)更改相關(guān)控制參數(shù)。

2物料搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

如圖1所示，物料搬運(yùn)機(jī)械手為三自由度氣壓式圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，主要由機(jī)座、腰部、水平手臂、垂直手臂、氣爪等部分組成。其中，腰部采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，手臂及氣爪采用氣缸等氣動元件。對應(yīng)的物料分揀裝置由4個(gè)普通氣缸構(gòu)成，用以將不同長度的工件經(jīng)分揀后送至各自的軌道中，并在軌道終端進(jìn)行淬火加工，加工完畢后再由機(jī)械手抓取、搬運(yùn)和分類堆放。機(jī)械手抓取長、短工件的順序不是固定的，要視物料分揀裝置的分揀結(jié)果以及長、短工件哪一個(gè)先到達(dá)軌道終端來定。但機(jī)械手對工件的堆放順序卻是固定的，要按照一定的規(guī)律堆放（如圖1中，長、短工件各放一邊，以4個(gè)為一組進(jìn)行堆放），并且堆放工件的位置精度也是有要求的。

3機(jī)械手控制系統(tǒng)組成

由于取工件和堆放工件都有定位精度要求，所以在機(jī)械手控制中，除了要對垂直手臂滑塊氣缸、氣爪等普通氣缸進(jìn)行控制外，還要涉及到對水平手臂氣缸以及機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)的伺服控制。其中，機(jī)械手水平手臂氣缸的伺服控制采用氣動比例伺服控制系統(tǒng);機(jī)械手的回轉(zhuǎn)控制則采用三相混和式步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)?？紤]到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，對這種混合驅(qū)動機(jī)械手采用plc作為核心控制器，上述各控制對象都必須在plc的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作（如圖2所示），plc采用日本三菱公司的fx2n-32mr型plc（16點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出）。

步進(jìn)電機(jī)選用深圳白山機(jī)電公司的bs110hb3l142-04型三相混合式步進(jìn)電機(jī)，最大扭矩：12nm;保持轉(zhuǎn)矩：13.5nm;額定電流4.2a。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行，必須合理選配。為此，我們?nèi)赃x擇白山公司與bs110三相混合式步進(jìn)電機(jī)配套的q3hb220m等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動器，定位精度可達(dá)30000步/轉(zhuǎn)。為了確保步進(jìn)電機(jī)控制的穩(wěn)定性、可靠性以及便于日后維護(hù)，我們選擇與fx2n系列plc配套的脈沖發(fā)生單元fx2n-1pg作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制單元［2］。plc通過擴(kuò)展電纜、控制信號以及from/to指令對1pg進(jìn)行控制，向1pg發(fā)出定位命令，然后由1pg通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸出指定數(shù)量的脈沖（最大100kpps）來具體執(zhí)行這個(gè)定位命令，從而最終實(shí)現(xiàn)plc對步進(jìn)電機(jī)的伺服定位控制，既提高了控制的靈活性和可靠性，又便于控制程序的編寫。

在圖2中，fx2n-1pg的fp和rp分別與步進(jìn)電機(jī)的dr-和pu-端子相連，表示輸出脈沖類型分別為前向脈沖和反向脈沖。1pg的dog端為確定步進(jìn)電機(jī)原點(diǎn)位置時(shí)所用。在調(diào)試時(shí)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接近原點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)通過此端對應(yīng)的按鈕接通24v電源，從而使步進(jìn)電機(jī)開始以原點(diǎn)返回速度（爬行速度）轉(zhuǎn)動，以便在到達(dá)設(shè)定的原點(diǎn)位置時(shí)方便于pg0端的控制。pg0+和pg0-為步進(jìn)電機(jī)到達(dá)原點(diǎn)位置時(shí)的停轉(zhuǎn)控制信號，需外加一個(gè)5v電源，正端接pg0+，負(fù)端通過開關(guān)k與pg0-相連。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在dog信號的控制下緩慢轉(zhuǎn)動到達(dá)設(shè)定的原點(diǎn)位置時(shí)，可通過手動或行程開關(guān)觸發(fā)pg0+和pg0-，使兩端接通5v電源，于是電機(jī)停轉(zhuǎn)，并將原點(diǎn)位置記錄下來，存貯在1pg的bfm#26和#27這2個(gè)寄存器中，作為plc對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步控制的基準(zhǔn)和重要參數(shù)。

氣動比例伺服控制系統(tǒng)采用德國festo公司的相關(guān)產(chǎn)品，主要由hmp坐標(biāo)氣缸、伺服定位控制器spc200以及與之配套的內(nèi)置位移傳感器mlo-pot-0225、氣動伺服閥mpye-5-1/8-lf-010-b和伺服定位控制連接器spc-aif-pot等裝置組成。在圖2的控制系統(tǒng)硬件接線中，主要涉及其中spc200的dio數(shù)字量i/o模塊的接線［3］。從該圖中可見，一方面plc通過輸出端y0-y3控制spc200的定位指令（recordselect工作方式）記錄號選取，并通過y6啟動伺服定位;另一方面spc200又通過定位任務(wù)完成信號q0.4（mc-a）將定位執(zhí)行情況反饋到plc的輸入端x12，以便于plc的程序控制。

在滑塊氣缸和氣爪上都安裝有磁性開關(guān)傳感器，用于檢測氣缸活塞的位置。通過這些傳感器的信號，并結(jié)合步進(jìn)電機(jī)和氣動伺服的啟停信號，在plc的控制下，就能夠?qū)瑝K氣缸和氣爪對應(yīng)的電磁閥進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣缸的動作。

4控制系統(tǒng)plc程序設(shè)計(jì)

4.1步進(jìn)電機(jī)初始化控制程序

plc與1pg間通過from/to指令進(jìn)行聯(lián)系。通過to指令，plc將控制命令及參數(shù)寫入1pg的緩存，而在1pg控制下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)則由plc通過from指令讀入，以便程序處理。在圖3所示的部分步進(jìn)電機(jī)初始化程序中，plc一旦通電運(yùn)行，便在每一個(gè)循環(huán)執(zhí)行周期中將其m0～m15寄存器的內(nèi)容寫入1pg的操作命令緩存“bfm#25”中，控制1pg的工作。同時(shí)，plc還不斷從1pg的“bfm#28”、“bfm#27”和“bfm#26”緩存中讀入步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前位置值，以便在邏輯控制中通過對這些輸入值的處理來進(jìn)一步控制機(jī)械手的動作。

按設(shè)計(jì)要求，同類型工件每4個(gè)為一組放置，兩種工件各自的堆放順序不能互相干擾。因此，同類型的4個(gè)工件搬運(yùn)為一個(gè)基本循環(huán)，在各自的工件循環(huán)中分別設(shè)置了相應(yīng)的工件計(jì)數(shù)標(biāo)志位。

4.2機(jī)械手綜合控制程序

綜合前述的步進(jìn)電機(jī)和氣動伺服控制技術(shù)，同時(shí)結(jié)合對垂直手臂滑塊氣缸、氣爪的控制要求，下面給出機(jī)械手完成一次定位并抓取工件的部分plc程序（如圖4所示）：

該程序表明：當(dāng)工件分揀加工完畢后，機(jī)械手首先轉(zhuǎn)動一定的角度指向取工件位置，待步進(jìn)電機(jī)定位結(jié)束后，垂直手臂滑塊氣缸活塞落下，然后水平手臂氣缸在氣動伺服控制下伸出設(shè)定的定位位移。定位位移是由plc的輸出端子（y2～y0）控制spc200輸入端子（i0.2～i0.0）的狀態(tài)來決定的，如附表所示，從而實(shí)現(xiàn)了plc對氣動伺服定位的控制。當(dāng)氣動伺服定位結(jié)束后，氣爪動作，夾緊工件。后續(xù)的搬運(yùn)和放置工件的控制程序原理與之類似。

5結(jié)束語

上述針對機(jī)械手的控制方法充分利用了plc和其它控制裝置的特性，結(jié)構(gòu)緊湊、控制可靠，目前在現(xiàn)場運(yùn)行良好。作為一個(gè)相對獨(dú)立的plc控制系統(tǒng)，它還可以通過rs-485總線或cc-link總線與生產(chǎn)線上的其它plc及控制器組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的自動化生產(chǎn)控制。