隨著社會生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快,，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求,。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善,，使機(jī)械手技術(shù)快速發(fā)展,，其中氣動機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點,，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門,，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動機(jī)械手有氣控機(jī)械手,、XY軸絲杠組,、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成,。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運工作,，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運,、貨物運輸更快捷,、便利。
一. 四軸聯(lián)動簡易機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動作過程
機(jī)械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示,，有氣控機(jī)械手(1),、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)(3),、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成,。
其運動控制方式為：(1)由伺服電機(jī)驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)角度為360°的氣控機(jī)械手(有光電傳感器確定起始0點)；(2)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠組件使機(jī)械手沿X,、Y軸移動(有x,、y軸限位開關(guān))；(3)可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)能帶動機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動部分由直流電動機(jī),、光電編碼器,、接近開關(guān)等組成)；(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分,；(5)氣控機(jī)械手的張合由氣壓控制(充氣時機(jī)械手抓緊,，放氣時機(jī)械手松開)。
其工作過程為：當(dāng)貨物到達(dá)時,，機(jī)械手系統(tǒng)開始動作,；步進(jìn)電機(jī)控制開始向下運動，同時另一路步進(jìn)電機(jī)控制橫軸開始向前運動,；伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到達(dá)正好抓取貨物的方位處,，然后充氣，機(jī)械手夾住貨物,。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動縱軸上升,，另一個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動橫軸開始向前走；轉(zhuǎn)盤直流電機(jī)轉(zhuǎn)動使機(jī)械手整體運動,，轉(zhuǎn)到貨物接收處,；步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動縱軸下降,，到達(dá)指定位置后，氣閥放氣,，機(jī)械手松開貨物,；系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動作。
二 控制器件選型
為達(dá)到精確控制的目的,，根據(jù)市場情況,，對各種關(guān)鍵器件選型如下：
1. 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器
機(jī)械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是北京四通電機(jī)技術(shù)有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.9°/1.8°,，電流1.5A,。M1是橫軸電機(jī)，帶動機(jī)械手機(jī)構(gòu)伸,、縮,；M2是縱軸電機(jī),，帶動機(jī)械手機(jī)構(gòu)上升,、下降。所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是SH-20403型,，該驅(qū)動器采用10～40V直流供電,，H橋雙極恒相電流驅(qū)動，最大3A的8種輸出電流可選,，最大64細(xì)分的7種細(xì)分模式可選,，輸入信號光電隔離，標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口,，有脫機(jī)保持功能,，半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動半電流方式,。驅(qū)動器內(nèi)部的開關(guān)電源設(shè)計,，保證了驅(qū)動器可適應(yīng)較寬的電壓范圍，用戶可根據(jù)各自情況在10～40VDC之間選擇,。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機(jī)的高速力矩,，但卻會加大驅(qū)動器的損耗和溫升。本驅(qū)動器最大輸出電流值為3A/相(峰值),，通過驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第5,、6、7三位可組合出8種狀態(tài),，對應(yīng)8種輸出電流,，從0.9A到3A以配合不同的電機(jī)使用。本驅(qū)動器可提供整步,、改善半步,、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分,、32細(xì)分和64細(xì)分7種運行模式,，利用驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第1、2,、3三位可組合出不同的狀態(tài),。
2. 伺服電機(jī)及其驅(qū)動器
機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)動作采用松下伺服電機(jī)A系列小慣量MSMA5AZA1G，其額定輸出50W,、100/200V共用,，旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格為增量式(脈沖數(shù)2500p/r、分辨率10000p/r,、引出線11線）,；有油封，無制動器,，軸采用鍵槽連接,。該電機(jī)采用松下公司獨特算法，使速度頻率響應(yīng)提高2倍,，達(dá)到500Hz ,；定位超調(diào)整定時間縮短為以往松下伺服電機(jī)產(chǎn)品V系列的1/4。具有共振抑制功能,、控制功能,、全閉環(huán)控制功能，可彌補(bǔ)機(jī)械的剛性不足,，從而實現(xiàn)高速定位,，也可通過外接高精度的光柵尺，構(gòu)成全閉環(huán)控制,，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度,。具有常規(guī)自動增益調(diào)整和實時自動增益調(diào)整兩種自動增益調(diào)整方式，還配有RS-485,、 RS-232C 通信口,，使上位控制器可同時控制多達(dá)16個軸。伺服電機(jī)驅(qū)動器為A系列MSDA5A3A1A,，適用于小慣量電動機(jī),。
3. 直流電機(jī)
可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)有直流無刷電機(jī)帶動，系統(tǒng)選用的是北京和時利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無刷直流電機(jī),，其調(diào)速范圍寬,、低速力矩大、運行平穩(wěn),、低噪音,、效率高,。無刷直流電機(jī)驅(qū)動器使用北京和時利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動器，其采用24～48V直流供電,，有起停及轉(zhuǎn)向控制,、過流、過壓及堵轉(zhuǎn)保護(hù),，且有故障報警輸出,、外部模擬量調(diào)速、制動快速停機(jī)等特點,。
4. 旋轉(zhuǎn)編碼器
在可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上,，安裝有OMRON公司生產(chǎn)的E6A2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將信號傳給PLC,，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)的精確定位,。
5. PLC的選型
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，選用OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A小型機(jī),。CPM2A在一個小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能,，包括同步脈沖控制、中斷輸入,、脈沖輸出,、模擬量設(shè)定和時鐘功能等,。CPM2A的CPU單元又是一個獨立單元,，能處理廣泛的機(jī)械控制應(yīng)用問題，所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品,。完整的通信功能保證了與個人計算機(jī),、其它OMRON PC和OMRON可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯(lián)動簡易機(jī)械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中,。
三 軟件編程
1. 軟件流程圖
流程圖是PLC程序設(shè)計的基礎(chǔ),。只有設(shè)計出流程圖，才可能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語句表,，最終完成程序的設(shè)計,。所以寫出流程圖非常關(guān)鍵也是程序設(shè)計首先要做的任務(wù)。依據(jù)四軸聯(lián)動簡易機(jī)械手的控制要求,，繪制流程圖如圖2所示,。
2. 程序部分
由于論文篇幅有限，這里只列出了開始兩段程序,，供讀者參閱,，見圖3。
四 結(jié)束語
四軸聯(lián)動簡易機(jī)械手的各個動作和狀態(tài)都由PLC控制,，不僅能滿足機(jī)械手的手動,、半自動,、自動等操作方式所需的大量按扭、開關(guān),、位置檢測點的要求,，更可通過接口元器件與計算機(jī)組成PLC工業(yè)局域網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)控制,。使四軸聯(lián)動簡易機(jī)械手能方便地嵌入到工業(yè)生產(chǎn)流水線中,。