機械手控制教學實驗臺的改進

機械手是指能夠自動抓取、多余度旋轉的操作裝置, 多用于自動生產線、自動機的上下料數控設備的自動換刀裝置中。由于工業企業的廣泛應用, 學校也紛紛引進機械手設備作為教學工具。用于教學使用和工業應用的機械手設備盡管在原理上相同或相似, 但在使用方面卻存在很大差異, 主要是操作對象不同。工業應用的機械手設備面對的是熟練的工程技術人員或工人, 而教學設備面對的是初學者且大多數是學生。初學者編制聯鎖關系較復雜的控制程序難免存在錯誤, 導致設備經常損壞, 甚至危害人身安全。為此, 對實驗室教學用機械手設備的控制系統進行了改進。
1、結構組成及原理
機械手一般由控制系統、驅動系統和執行系統組成。主要完成移動、轉動、抓取等動作。控制系統是機械手的指揮系統, 它通過控制驅動系統, 讓執行器按規定的要求進行工作, 并檢測其正確與否。機械手設備有4 個旋轉軸和一個夾爪, 4 個旋轉軸是X 軸伸縮, Z 軸升降, 手臂和手腕回轉。由步進電動機或通過旋轉編碼器可進行閉環控制的伺服電動機進行驅動,控制電路如圖1 所示。

1.1 底盤及機械手爪正反運動
Z4、Z5 分別是底盤的左右兩個極限位行程開關,Y4 和Y5 是正反轉輸出信號, 當底盤運動到極限位置時, Y4 或Y5 停止輸出。Y6、Y7 分別是機械手爪正反轉輸出信號, 控制手爪驅動電機正反轉。
1.2 豎軸運動
Z1 是豎軸向上極限位行程開關, Y0 和Y2 控制豎軸電源模塊D1。其中Y0 是D1 的方向控制信號( DIR) , Y2是D1 的脈沖控制信號( CP) 。當Y0 為ON, Y2 有脈沖輸出時, 電機M1 正轉, 機械手向下運動; 當Y0 為OFF, Y2 有脈沖輸出時, 電機M1 反轉, 機械手向上運動; 當Y2 無脈沖輸出時, 無論Y0 是ON 還是OFF, 電機M1 停轉。
1.3 橫軸運動
Z2 和Z3 分別是橫軸的伸、縮極限位行程開關。Y1和Y3 控制豎軸電源模塊D2。其中Y1 是D2 的方向控制信號( DIR) , Y3 是D2 的脈沖控制信號( CP) 。它的動作原理與豎軸相同。
根據圖1 分析和長時間的教學使用, 該裝置要求輸入的PLC 程序必須完全正確, 否則會產生誤動作損壞設備甚至傷害人身安全, 所以應完善控制系統, 增加限位元件。
2、改進方案及措施
方案1: 在機械手各運行軸或運行軌道兩端, 加限位開關。
方案2: 在線路中增加中間繼電器, 用原有的各極限位行程開關信號控制這些中間繼電器, 中間繼電器上的多對觸點控制電路的聯鎖。
經過比較, 兩種方案各有優缺點。方案1 直觀明了, 易于改進, 但對原裝置的改動較大, 與設備的初衷設計相差太遠。方案2 沒有改變初衷設計, 但難度較大。選擇方案2 較為合適。具體措施如下。

2.1 底盤正反轉及機械手爪正反轉控制電路的改進原圖中Y4 與Y5 之間、Y6 與Y7 之間缺少硬件互鎖。
如果程序出錯或是誤操作, 使中間繼電器KA1 和KA2 或KA3 和KA4 同時得電, 會使電機M3 或M4 的電源發生短路。如果底盤沒有停止正轉或反轉, 底盤上的限位小鐵柱直接撞壞底座上的行程開關和用于定位的光電素子。為避免這種情況應增加硬件互鎖觸點, 如圖2 所示。

2.2 底盤正反轉限位保護的改進
圖3 為行程開關繼電器控制電路, 其中用行程開關Z4 和Z5 分別控制中間繼電器KA14 和KA15。利用KA14、KA15 上的多對觸點, 提供PLC 的左、右限位輸入信號和控制電機M3 的運行, 如圖4 所示。假設Y4 的狀態為ON 時, 中間繼電器KA1 得電( 見圖2) , 機械手底盤將向右運動。當底盤運動到右極限位時, Y4 沒有變為OFF, 底盤繼續向右運動。當限位小鐵柱壓到右極限位行程開關時中間繼電器KA15 得電( 見圖3) , KA15 的常閉觸點斷開, 電機M3 的正轉控制回路斷開( 見圖4) , 電機停轉, 底盤停止右轉。反之亦然, 起到了保護設備的作用。

2.3 豎軸運動限位保護的改進
豎軸步進電機控制電路如圖5 所示。假設Y0 為OFF, Y2 有脈沖輸出, 電機反轉, 機械手向上運動。當運動到上限位時, Y2 仍有輸出, 機械手繼續向上運動。機械手手臂壓下豎軸上限位行程開關Z1, 中間繼電器KA11 得電( 見圖3) , Y2 支路斷開, 電機M2 停轉。此時機械手需要向下運動時, Y2 有脈沖輸出, Y2 的支路在KA11 處已被斷開, Y0 的狀態為ON, KA16 線圈得電, 常開觸點KA16 閉合, 電機M2 正轉。
2.4 橫軸運動極限位保護的改進橫軸步進電機控制電路如圖6 所示。橫軸有伸、縮兩個極限位, 假設Y1 的狀態為OFF, Y3 有脈沖輸出。電機反轉, 橫軸臂外伸, 碰極限位Z2 時, Y3 并不停止輸出, 中間繼電器KA13 線圈得電, KA13 常閉觸點斷開, Y3 的支路斷開, 橫軸臂停止運動。此時橫軸臂需回縮, Y3 有脈沖輸出但支路已斷開, Y1 的狀態為ON,KA17 線圈得電, 其觸點閉合接通Y3 支路, 電機正轉,橫軸臂回縮, 回縮運動到極限位Z3 時, Y3 不一定停止輸出, 中間繼電器KA12 得電, 其常閉觸點斷開, Y3 的支路再次斷開, 軸臂停止回縮運動。橫軸臂需再次外伸時, Y3 的支路已斷開, Y1 為OFF, KA17 線圈失電,碰極限位Z3, KA12 線圈得電, KA18 線圈得電, KA18觸點閉合接通Y3 的支路, 電機反轉, 橫軸臂外伸。

3、改進效果
(1) 原設備的原理不變。
輸入在原設備運行過的正確程序中的手動控制部分(程序見圖7) , 運行后其動作過程與改進前是一致的,這證明改進后設備的原理不變。
(2) 能在誤操作或運行錯誤程序的情況下保護設備。
去掉圖7 中的黑線框是學生編制的錯誤程序, 運行時嚴重損壞過設備。控制電路經過改進后又輸入該錯誤程序并運行, 其動作過程與運行圖7 中的正確程序是相同的, 證明了電路改進是成功的。