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(yùn)動控制方式為：(1)由伺服電機(jī)驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)角度為360度的氣控機(jī)械手(有光電傳感器確定起始0點(diǎn))；(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度的轉(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(shí)機(jī)械手抓緊，放氣時(shí)機(jī)械手松開)。

　　其工作過程為：當(dāng)貨物到達(dá)時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)開始動作；步進(jìn)電機(jī)控制開始向下運(yùn)動，同時(shí)另一路步進(jìn)電機(jī)控制橫軸開始向前運(yùn)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(gè)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(yùn)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度/1.8度，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(jì)，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(yùn)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(dú)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(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)控制多達(dá)16個(gè)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度的轉(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(shí)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(yùn)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(shí)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(bào)警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動快速停機(jī)等特點(diǎn)。

　　4. 旋轉(zhuǎn)編碼器

　　在可回旋360度的轉(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，

　　5. PLC的選型

　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A小型機(jī)。CPM2A在一個(gè)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(shí)鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個(gè)獨(dú)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(gè)人計(jì)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(jì)的基礎(chǔ)。只有設(shè)計(jì)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(jì)。所以寫出流程圖非常關(guān)鍵也是程序設(shè)計(jì)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，繪制流程圖如下圖所示。

　　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，見下圖。

　　四 結(jié)束語

　　四軸聯(lián)動簡易機(jī)械手的各個(gè)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(diǎn)的要求，更可通過接口元器件與計(jì)算機(jī)組成PLC工業(yè)局域網(wǎng)，實(shí)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。