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　0引言

　　搬运机械手以其具有一定的柔性、动作灵活等特点，用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，加快生产节拍，极大地提高了制造企业的生产效率和产品质量。所以在自动化生产线上下料作业中，特别是在有毒的、易燃易爆等恶劣环境内，得到广泛应用?。随着机器人技术的不断发展，简单、可靠、易于操作已成为机器人研制的准则。由于气动器件具有结构简单，造价较低，易于控制，维护方便的特点，而交流伺服电机具有运动参量易于控制等优点，从机械手工作的稳定性，可靠性，易操作性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性角度出发，本文设计了由可编程序控制器和触摸屏联合控制，由交流伺服电机和气缸为动力源的U型板搬运机械手。

　　1 U型板搬运机械手的结构与功能

　　U型板搬运机械手是整个冰箱生产线上自动化设备的一部分，其主要任务是将U型壳从折弯生产线搬运到另一条加工生产线上，同时转换U型壳姿态由竖直变为水平，整个工作循环小于15s。搬运机械手机械机构设计方案如图1所示，此图是利用PROE三维设计软件对整个机械手构建的模型图。该机械手主要由水平移动部分，竖直移动部分，开合横梁，大臂，小臂组成，水平方向上由交流伺服电机经行星齿轮，再通过齿轮齿条减速带动整个机械手在横梁上做水平直线运动;竖直方向上由交流伺服电机经滚珠丝杠减速带动关节做垂直直线运动;在末端由翻转气缸带动小臂绕轴线做旋转运动，夹爪由四个气缸驱动实现手爪的开合动作，真空吸盘利用真空吸附原理增加对U型板的夹持力，此外竖直方向的平衡气缸可以通过输出力平衡掉整个机械手的重力，而且同时还可以增加竖直方向的刚度。

　　2 U型板搬运机械手的气动原理

　　该机械手的翻转，夹持与吸附是通过相应的电控制的，而电磁阀的控制信号则由PLC发出。由于U型板的宽度是多样的故开合气缸选择带有刻度和端锁的气缸，该气缸可以根据传感器在表面刻度尺上的位置，来确定起动和停止的位置。两开合气缸由两个三位五通的电磁阀来控制，两个内支撑气缸由两个两位五通阀控制。当2DT和4DT，7DT和8DT通电且5DT和6DT断电时，开合气缸带动大臂，小臂由外向里移动，同时内支撑气缸带动挡板由里向外移动完成夹持U型板的动作，移动完成后2DT和4DT，7DT和8DT断电后，开合气缸处于保压状态并且两气缸被端锁固定，此时手爪夹持动作结束;当1DT和3DT，7DT和8DT通电且5DT和6DT也通电时，手爪开始移动，移动结束后1DT和3DT，7DT和8DT断电，此时手爪松开动作结束。由于两手臂夹持同一个U型板，故两翻转气缸由一个两位五通阀控制，当9DT通电时两翻转气缸带动两小臂上旋，断电后小臂下旋。当11DT和13DT通电时，4个真空吸盘开始抽真空，配合手爪夹持动作，增加夹持力保证手爪带动U型板运动时的安全性;当1lDT和13DT断电且10DT和12DT通电时，真空吸盘排真空，配合手爪松开动作，将U型板放置到生产线上。平衡气缸由精密减压阀控制，使气缸下腔保持在设定压力值上抵消机械手的重力，保证竖直交流伺服电机上下运动时输出力矩相等。系统气动回路如图2所示。由于该机械手采用气压传动，在设计时考虑了系统调压、调速、缓冲以及安全问题。尤其在旋转限位上除了加入了挡铁还加入液压阻尼器，用于吸收小臂旋转的能量，减少整个系统的振动。

　　3 U型板搬运机械手的PLC控制方案

　　3.1 PLC选择与I/O分配

　　本设计中采用CPlH.X40DT-D系列的PLC[21，此PLC为欧姆龙基本型，共有24个输入和16个输出。由于输出点数较多故外加具有16个输出端口的继电器输出式输出扩展模块。伺服电机由脉冲输出端口输出的PWM信号控制，有CW/CCW和脉冲+方向两种控制方式，本设计中采用CW/CCQ控制方式，I/O分配如图3所示。

　　3.2系统初始化

　　由于机械手操作结束时，两个伺服电机和各个气缸的位置均是随意的，所以在开机后，进入自动循环之前需要对各伺服电机和气缸进行初始化。具体操作如下：x轴电机归零，z轴电机归零，各气缸初始化。机械手的机械零位在工作空间的右上角处，两坐标轴归零均采用三次归零，采用一个零位信号。第一次归零为正向高速归零，第二次归零为反向低速归零，第三次为正向低速归零。此时的零位是机械零位即硬零，为了后期示教方便机械归零后利用INI命令将工作空间内的右下点规定为软零。开合气缸和内支撑气缸处于使手爪处于松开状态，旋转气缸缩回使大臂小臂在同一直线。

　　3.3 PLC程序设计流程

　　系统软零设定后，交流伺服电机可以通过码盘读数显示出两电机相对于软零的位置，机械手在运行过程中由于受实际工况要求和避障要求的限制需要沿折线行走，如图4所示。机械手归零后处于M点，通过PLC指令设定软零0点，自动程序开始运行后机械手沿短路径运行到起始点B，当前线工序结束后机械手接受指令进入循环。运行轨迹中的各节点坐标是通过对不同型号的U型板进行示教获得，而节点处是通过比较两伺服电机中的脉冲值与示教坐标值来实现动作转换的，机械手自动循环示意图如图5所示。

　　4 U型板搬运机械手的触摸屏控制方案 

　　为实现良好的人机交互性能，本设计中采用DOP.A系列触摸屏与欧姆龙PLC联合控制。该触摸屏拥有便利的运算与通讯巨集指令，良好的配方功能同时还具有线上模拟和离线模拟等功能。

　　4.1触摸屏的整体设计方案

　　根据设计和人机交互的要求，本机械手的触摸屏框图如图6所示。

　　4.2示教点参数设置

　　由于U型板的型号不等故在前生产线的夹持点C，后生产线的放置点H以及途中各避障点的坐标均要发生变化。宽度方向的调整根据标尺手动调节开合气缸上传感器的位置，而其他两个方向则要通过参数调整界面来调整。触摸屏调整界面如图7和8所示，首先通过调整界面1设置自动模式中运行轨迹的各段加减速、匀速值以及关键点坐标值。然后在调整界面2中，点击。运行至C点”按钮，机械手运行到前线点C，点击“参数设置开始”按钮，根据实际工况按“上下左右”按钮通过伺服电机调节夹持点C的位置，左侧可以显示电机坐标值也可改变电机运行速度，调整完毕后点击“保存参数设置”按钮，后线放置点H的调节同前线点的设置。

　　5试验与调试

　　将PLC程序和触摸屏编辑界面通过PC机植入到可编程控制器中，通过示教界面将各U型板型号对应的节点数据找出并存储至J|PLC存储器中。由于整个循环时间有小于15s的时间限制，故需对各段运行速度和加速度进行设定，经试验可知速度脉冲为60000(0.754)，加速度为120(0.377)时循环周期为14s，并且整个系统振动较小，符合设计要求。

　　6结束语

　　本项目采用了PLC和触摸屏控制机械手实现所需各种型号的U型板的搬运过程，充分考虑了操作者的安全与方便，同时可使机械手稳定可靠的运行。而且由于PLC和触摸屏的强大的控制和操作功能，使得功能的扩展变得十分方便，为后续生产线的改造提供了方便