機械手PLC控制設計

唐少臣++韓屹威++毛行星

摘要：基于PLC控制的機械手具有顯著的優(yōu)點，已經(jīng)成為工業(yè)自動化生產(chǎn)的不可缺少的關鍵技術。本文通過借鑒傳統(tǒng)機械手的設計方案，對適用于工廠鍛件搬運的機械手PLC控制系統(tǒng)進行了相關模擬仿真和設計。在對機械手液壓機構進行了深入的分析的基礎上，認為機械手的設計需要考慮回轉原點、點動控制和自動化控制三個因素；然后對適合機械手的PLC控制器、壓力和位移傳感器進行了相關技術參數(shù)選擇，同時還對整體程序的設計進行了相關闡述，希望能夠給以后的機械手PLC控制系統(tǒng)設計提供借鑒意義。

關鍵詞：PLC；機械手；控制

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0013-02

隨著工業(yè)機械手的廣泛應用，其已經(jīng)成為自動化控制領域的重要技術。在制造業(yè)不斷發(fā)展的今天，機械手一方面可以代替人工進行生產(chǎn)線的作業(yè)，另外一方面機械手可以按照實際生產(chǎn)工藝的要求，按照一定的時間和程序設置來完成工作的卸載和傳送。機械手的廣泛應用可以大大的提高勞動生產(chǎn)率，加快我國制造業(yè)的轉型與升級。如果機械手采用傳統(tǒng)的繼電器進行控制，則會直接造成系統(tǒng)原件比較繁雜、穩(wěn)定性差以及出現(xiàn)故障概率高的特點。隨著PLC技術的廣泛應用，通過使用PLC來設計機械手的控制系統(tǒng)，可以保證較高的可靠性和較低的故障率，使用起來也相對簡單。本文通過采用可編程控制器PLC來實現(xiàn)機械手的控制系統(tǒng)設計，使得控制過程精確可靠，使得在實際生產(chǎn)過程中變得明確和清晰。

1 機械手機構的液壓系統(tǒng)分析

本文的機械手設計案例以鍛造車間的機械手為例，該機械手處在高溫的操作環(huán)境之中，機械手所要實現(xiàn)的功能就是將高溫的鍛件棒材加持到鍛造工位的傳送帶上。實現(xiàn)對棒料準確的搬運，替代人工操作，改善工作環(huán)境。機械手的液壓系統(tǒng)主要包括了液壓驅動、手臂的升降和收縮等系統(tǒng)，再加上液壓馬達。液壓換向回路使用三位四通閥進行控制。在機械手設計的過程中應該考慮以下幾個方面的問題：（1）鍛件的重量較大，機械手應該具備較大的夾緊力。同時工件在移動的過程中還會出現(xiàn)較大的慣性，保證工件不會脫落。（2）機械手的手指應該具備一定的夾角，手指的開閉角直接影響著工件能否順利的加持到鍛造工位上，對于手指的開閉幅度具有嚴格的要求；（3）機械手應該保證工件在搬運過程中的準確定位，必須要根據(jù)鍛造工件的形狀來選擇機械手手指的形狀；（4）由于鍛件處在高溫狀態(tài)，在加持過程中應該保證機械手具有較高的強度，另外機械手的結構應該盡量緊湊，使得機械手的重心能夠維持在手臂的回轉軸線上。（5）在機械手設計的過程中，應該考慮到被抓工件的要求。如果是圓柱形鍛件，則應該考慮使用V型手指，圓球形的工件考慮采用三指狀的手指，方便加持工件。對于那些表面質量要求比較高的工件，應該在機械手的手指上加上泡沫墊片，防止加持部位的損壞。

2 機械手PLC控制系統(tǒng)的設計

2.1 PLC可編程控制器介紹

機械手所使用的PLC控制器主要包括了CPU、信號輸入模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、CPU擴展單元以及編程模塊。CPU相當于PLC的心臟，完成對輸入信號和數(shù)據(jù)的處理，將這些數(shù)據(jù)存儲在存儲器中。對于輸入和輸出模塊而言，輸入的信號主要有分為兩個類別，分別為電壓信號和電流信號，如果外在的信號比較尖銳，則會造成PLC的CPU損壞。另外為了控制外來的負載的額度，可以通過小型繼電器的使用，來實現(xiàn)外來負載的隔離。在PLC中編程器主要是用來檢測各種信號的運行狀態(tài)，一般使用編程器的狀況為邏輯輸入有誤或者需要檢修的時候。本文中的PLC電源使用的是24V直流電源或者220V的交流電源，機械手的PLC控制器選擇類型為西門子20EDR-1，有兩個輸入和輸出模塊，在A/D轉換方面選擇AD041型號，所設計的PLC框架如圖1所示。

其中PLC的基本參數(shù)如表1所示。

本系統(tǒng)的輸入電流信號范圍是5-23mA，對應的十六位進制為0000-1770。用于補碼的轉換數(shù)據(jù)范圍是3.2-4mA，當輸入電流信號小于3.2mA時，斷線檢測的功能將會被充分啟用，并且將數(shù)據(jù)轉化為8000。首先對于模擬信號和數(shù)字信號的轉換方面，在CPU模塊中不能進行量程控制字符的改變，如果需要改變，則必須進行斷電后重新操作。

2.2 機械手位移傳感器的選擇

位移傳感器的選擇對于機械手的設計具有重要的意義，機械手臂的升降和旋轉都需要位移傳感器的作用，還應該把位移數(shù)據(jù)準確的顯示在屏幕上，主要目的就是滿足機械手臂的位移和速度測定。目前通用的傳感器為光柵位移傳感器，當傳感器的兩塊光柵的位置發(fā)生相對變化時，光敏電阻發(fā)生變化，實現(xiàn)了電信號傳遞，從而轉變?yōu)槲灰菩盘枺瑢崿F(xiàn)了位移的精確測量。除了直線位移傳感器外，還需要安裝角位移傳感器，角位移傳感器的類型為E6W5-2014。最后機械手指在加持工件的過程中，需要安裝壓力傳感器，其中輸出信號范圍是5-60mA，電源選擇24V直流電源。在機械手觸摸屏的選擇方面，要求有兩個，首先就是要內存要大，能夠存儲較多的數(shù)據(jù)，分辨率要大和較高的顯示亮度；其次PLC觸摸屏要有串行通信功能，更好的方便PLC與機械手臂之間的通信。

3 PLC控制系統(tǒng)的程序設計與步進電機選擇

3.1 機械手PLC總控制程序的設計

在機械手臂的下降和上升的程序設計中，只是兩者的輸入和輸出的地址不同。在壓力檢測方面，只有檢測到鍛件毛坯夾緊以后才可以進行下一步的位移動作，所以首先應該進行壓力的檢測，實現(xiàn)了壓力數(shù)值的顯示。本文還通過CAE的仿真優(yōu)化設計，為了進一步實現(xiàn)機械手臂的啟停與位移控制，減少PLC控制器的安裝面的位置，可以將啟動按鈕與停止按鈕進行合并。同時為了確定機械手臂是處于手動工作模式還是處在連續(xù)工作模式，需要進行連續(xù)工作模式按鈕，可以根據(jù)實際的運行情況來調整機械手臂的位置。同時為了保證機械手的正常運行，機械手在每一個工作周期內都要進行初始位置的檢驗，如果不是回到初始位置，則應該執(zhí)行回到回轉原點的操作。和啟動的程序一樣，機械手臂工作的運行方式也是通過按鈕來實現(xiàn)的，手動按鈕可以實現(xiàn)機械手的各種動作操作，從而滿足實際生產(chǎn)的需求，只需要對步進電機的脈沖時間進行調整，盡量減少機械手的行程。在經(jīng)過CAE軟件操作的優(yōu)化的過程中，可以通過以下結果步驟來進行，首先應該對機械手臂的模型進行優(yōu)化，建立相應的機械傳動機構，包括各種零件的設計以及機械手自由度的設計；其次，對機械手的模型進行運動仿真模擬，測試模型設計是否能夠滿足生產(chǎn)需求；然后細化設計模型，建立設計變量和目標函數(shù)之間的關系，得到性能最優(yōu)的設計參數(shù)。本文根據(jù)機械手的運動要求將機械手的抓取機構進行優(yōu)化，從而繪制PLC控制流程圖，通過對梯形圖控制程序的編寫，滿足了實際生產(chǎn)機械手的工位需求。

3.2 步進電機選擇

三相步進電機通常將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰菩盘枺竭M電機的旋轉是依靠角度的不斷移動而進行的。通過對電脈沖數(shù)量的控制，來實現(xiàn)位移的控制。在步進電機的選擇方面，本文采用的是三菱公司的橫軸和縱軸位移的機械手升降機構，最大使用電流為3A。另外PLC啟動技術的控制與傳統(tǒng)的控制技術相比，具有價格低廉和結構簡單等優(yōu)點。現(xiàn)代化的PLC啟動技術可以分為感知系統(tǒng)、控制程序、主機CPU部分以及執(zhí)行機構的設計部分。在使用CAE進行軟件仿真模擬的過程中，通過使用鍛件的抓取機構為實際性能的優(yōu)化目標，通過連桿機構的數(shù)次優(yōu)化和坐標位置優(yōu)化，使得機械手臂的抓緊力由3.5MN轉變?yōu)?0.56MN。通過采用虛擬樣機技術可以有效的模擬機械手在實際生產(chǎn)過程中的抓取行為，實現(xiàn)夾緊力的不斷提高，具有較大的實際成產(chǎn)意義。表2位本PLC系統(tǒng)中A/D轉換器的基本參數(shù)。

四個自由度的機械手臂的設計具有一定的普遍性和實用性，在PLC控制的模式下，實現(xiàn)鍛件從一個位置運送至另一個位置，準確的實現(xiàn)位置定位和完成各項動作。在實際操作的過程中可以通過觸摸屏完成各項操作和讀取機械手實際的運行狀態(tài)，包括壓力和位移數(shù)值等信息，方便對機械手進行很好的控制。

4 結語

PLC控制技術在機械手設計領域中已經(jīng)得到了廣泛的應用，從而使得機械手在工業(yè)領域中得到了廣泛的應用。本文在分析參考文獻的基礎上，借鑒傳統(tǒng)機械手的設計方案，對適用于工廠鍛件搬運的機械手PLC控制系統(tǒng)進行了CAE模擬仿真和設計。首先對機械手液壓機構進行了深入的分析，得到機械手控制的三個關鍵因素；然后對適合機械手的PLC控制器、壓力和位移傳感器進行了相關技術參數(shù)選擇，同時還對整體程序的設計進行了相關闡述，希望能夠給以后的機械手PLC控制設計提供參考價值

參考文獻

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