基于PLC的上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)探析

劉歷 杜勇

摘 要：近年來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展和用人成本的增加，礦山生產(chǎn)中的上下料正向機(jī)械化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型。機(jī)械手精度高、動(dòng)作迅速、可長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的特征被礦山企業(yè)應(yīng)用到上下料的生產(chǎn)中，提高了生產(chǎn)效率。本文討論了上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，確定了基于PLC控制的機(jī)械手的關(guān)鍵參數(shù)，在明確控制方案的前提下，設(shè)計(jì)了機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件和軟件，為PLC控制機(jī)械手在上下料生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；ADAMS；上下料；自動(dòng)化

引言

機(jī)械手是在工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的自動(dòng)化設(shè)備，它通過(guò)模仿人的手臂，按照設(shè)定的路徑等參數(shù)進(jìn)行物件的抓取、搬運(yùn)和其他操作。它主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分，控制系統(tǒng)一般采用DSP、單片機(jī)、PLC等芯片，時(shí)時(shí)控制各電機(jī)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括各種電機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是仿生手臂用來(lái)進(jìn)行相關(guān)的操作。由于要進(jìn)行較為復(fù)雜的操作需要多關(guān)節(jié)進(jìn)行協(xié)同，所以多自由度機(jī)械的控制是基礎(chǔ)，一般采用六自由度或四自由度的結(jié)構(gòu)，自由度越多，其靈活性越大、操作范圍越廣。

自動(dòng)上下料操作是指在工廠和數(shù)控加工中周期性的給機(jī)器和機(jī)床上下料。由于此項(xiàng)操作重復(fù)性強(qiáng)、危險(xiǎn)性高、工作強(qiáng)度大，已經(jīng)不再適合手工操作，于是自動(dòng)化的機(jī)械手取而代之。機(jī)械手可以快速準(zhǔn)確地長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，定位精度高，環(huán)境適應(yīng)性很好，尤其是其抓舉運(yùn)輸可以超過(guò)人力很多，便于工業(yè)生產(chǎn)，所以對(duì)機(jī)械手進(jìn)行研究并使其應(yīng)用到上下料生產(chǎn)中十分必要。

1總體設(shè)計(jì)

機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該方案主要由HMI、PLC、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)械手本體四個(gè)部分組成。

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要確定機(jī)械手自由度、行程和速度參數(shù)，電機(jī)選型和各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方式。

之所以為機(jī)械手添加6自由度，是為了保證機(jī)械手可以抵達(dá)任意位置，其中位置自由度3個(gè)，姿態(tài)自由度3個(gè)。通過(guò)簡(jiǎn)化分析，滿足基本的上下料操作，機(jī)械手設(shè)計(jì)包括4軸4自由度，分別是X軸、Y軸、Z軸和RZ軸。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。機(jī)械手沿X軸進(jìn)行水平方向的左右移動(dòng)；沿Y軸進(jìn)行水平方向的前后移動(dòng)；沿Z后軸進(jìn)行豎直方向移動(dòng)；沿RZ軸可繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)需要電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，它的主要?jiǎng)幼魈匦耘c電機(jī)參數(shù)息息相關(guān)，所以對(duì)于電機(jī)的選型是必要的。一般而言，電氣式機(jī)械手常用的電機(jī)類型有伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。為使機(jī)械手能夠快速移動(dòng)，要求軸電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速要高、額定輸出轉(zhuǎn)矩還應(yīng)較大。因此，X、Y、Z軸常選用伺服電機(jī)。但是對(duì)于RZ軸，由于其負(fù)載較小，精度要求較高，所以可以選擇簡(jiǎn)單實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式有多種，常見的機(jī)械手傳動(dòng)方式包括同步帶傳動(dòng)、滾珠絲桿傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)。其中同步帶傳動(dòng)是應(yīng)用較多，其簡(jiǎn)單易用，保養(yǎng)方便；滾珠絲桿傳動(dòng)由于精度高、噪音低，常用于高精度的傳動(dòng)場(chǎng)合；齒輪齒條傳動(dòng)的特點(diǎn)是動(dòng)力足、壽命長(zhǎng)，但是噪音較大。綜合以上多種傳動(dòng)方式，從精度要求和成本考慮，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手的X軸和Y軸采用同步帶傳動(dòng)，Z軸采用齒輪齒條傳動(dòng)。

1.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示，HMI與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，向PLC傳送數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)控制命令的同時(shí)接收傳回的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行時(shí)時(shí)顯示。

2機(jī)械手關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

綜合評(píng)價(jià)機(jī)械手的行動(dòng)能力將以最大速度、負(fù)載能力、位置偏差閾值等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，這就需要確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、減速器的減速比、同步帶輪節(jié)徑等。由于機(jī)械手X軸的受力最為復(fù)雜，現(xiàn)以X軸為例來(lái)詳細(xì)分析關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定過(guò)程，隨后可用相同的方法確定其他軸的參數(shù)。

首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇一個(gè)伺服電機(jī)，經(jīng)計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行下一處電機(jī)的確定。首先畫出X軸的示意圖，如圖4所示。通過(guò)分析，可以計(jì)算出X軸負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL，X軸最大移動(dòng)速度Vmax，機(jī)械手加速過(guò)程中電機(jī)的最大輸出扭矩Tmax等參數(shù)。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括X軸、Y軸、Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇、RZ軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的選擇、PLC及擴(kuò)展單元的選擇等硬件的設(shè)計(jì)，由于篇幅所限，只以PLC的選擇為例進(jìn)行說(shuō)明。

PLC是可編程邏輯控制器，通過(guò)數(shù)字或模擬輸入輸出控制整個(gè)機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程。上下料機(jī)械手需要控制3個(gè)伺服電機(jī)和1個(gè)步進(jìn)電機(jī)，所以PLC選型時(shí)應(yīng)具有4路高速脈沖輸出功能。

本例選擇CP1H-Y20DT-D型PLC作為機(jī)械手的控制器。根據(jù)控制要求給各個(gè)控制對(duì)象分配IO地址，這樣便于PLC尋址和精確控制被控對(duì)象。由于各個(gè)軸上具有光電開關(guān)、減速器等裝置，需要對(duì)其進(jìn)行IO地址的分配。當(dāng)上下料開始時(shí)，PLC輸出數(shù)字信號(hào)令錠床開始加工，當(dāng)銳床加工結(jié)束后，PLC收到信號(hào)，繼而進(jìn)行下料操作。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC的高速計(jì)數(shù)器功能和串口通訊功能都將被實(shí)用，所以應(yīng)先編程設(shè)置PLC，如圖5所示。

在設(shè)置完P(guān)LC具體參數(shù)后，需要明確機(jī)械手的上下料過(guò)程即取料、上料及下料階段，通過(guò)圖6表示機(jī)械手上下料全過(guò)程。

機(jī)械手先從原點(diǎn)P0向P1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)P1點(diǎn)后機(jī)械手松開，向下運(yùn)動(dòng)到P2點(diǎn)，夾爪閉合抓取工件后回到P1點(diǎn)；機(jī)械手夾持著工件向P3點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，在P3點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)至P4上料，然后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到P3點(diǎn)，再運(yùn)動(dòng)到P5點(diǎn)，機(jī)械手給銑床上料完成；當(dāng)加工完成后，機(jī)械手經(jīng)過(guò)P6-P7-P6-P8等點(diǎn)的操作后，完成下料，并將工件放置在傳送帶上，最后其運(yùn)動(dòng)回P0點(diǎn)循環(huán)進(jìn)行下一輪操作。

控制程序方案包括回原點(diǎn)、示教、軌跡規(guī)劃和軌跡執(zhí)行四個(gè)部分；回原點(diǎn)操作意在令機(jī)械手上電后或者上下料結(jié)束后回到其坐標(biāo)原點(diǎn)；示教是示教出空間上的坐標(biāo)點(diǎn)，并存儲(chǔ)到PLC的內(nèi)存區(qū)；軌跡規(guī)劃是指定軌跡上的點(diǎn)與示教庫(kù)中點(diǎn)的關(guān)系，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)軌跡與示教庫(kù)信息的吻合，保證運(yùn)動(dòng)精度；軌跡執(zhí)行部分用來(lái)設(shè)置運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡的編號(hào)、減速比、時(shí)間量等參數(shù)。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于PLC控制的機(jī)械手，確定了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，分析了機(jī)械手三個(gè)軸的關(guān)鍵參數(shù)，明確了機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件部分的元器件選型，提出了上下料過(guò)程中的控制程序基本思路，明確了回原點(diǎn)、示教、軌跡規(guī)劃以及軌跡執(zhí)行等程序方案。相信隨著自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，基于PLC控制的機(jī)械手將會(huì)在精確度等方面實(shí)現(xiàn)新的突破，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工廠的上下料生產(chǎn)中，逐漸代替人工操作。

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