基于PLC的上下料機械手設計探析

崔海龍

摘要：自動上下料操作是指在工廠和數控加工中周期性的給機器和機床上下料。由于此項操作重復性強、危險性高、工作強度大，已經不再適合手工操作，于是自動化的機械手取而代之。機械手可以快速準確地長時間作業，定位精度高，環境適應性很好，尤其是其抓舉運輸可以超過人力很多，便于工業生產，所以對機械手進行研究并使其應用到上下料生產中十分必要。

關鍵詞：PLC；上下料機械手；設計

引言

機械手是在工業生產中較為常見的自動化設備，它通過模仿人的手臂，按照設定的路徑等參數進行物件的抓取、搬運和其他操作。它主要包括執行機構、驅動機構和控制系統三大部分，控制系統一般采用DSP、單片機、PLC等芯片，時時控制各電機運動。驅動機構主要包括各種電機，執行機構主要是仿生手臂用來進行相關的操作。由于要進行較為復雜的操作需要多關節進行協同，所以多自由度機械的控制是基礎，一般采用六自由度或四自由度的結構，自由度越多，其靈活性越大、操作范圍越廣。

一、機械手的概述

機械手主要是以人手臂為原型，然后通過編程設置機械手的固定動作，機械手在施工期間能通過各個零部件間的配合實現抓取、搬運等動作，是一種能進行自動化操作的設備。早期的機器人多為機械手機器人，關于機械手的研發，能讓人從繁重的勞動中解放出來，特別是在生產強度較高的情況下，機械手不但能實現自動化生產，也能在較大程度上讓工作人員的安全得以保障。使用機械手不僅能帶來生產能力的提高，也能讓其應用的自動化程度得到發展，工作期間人員安全得到保障，所以當前機械手在各個領域內都能得到切實的應用。

根據當前的狀況能夠獲悉，使用PLC或者繼電器控制，能讓機械手的控制方式得以強化?，F在繼電控制中由于故障率偏大，所以消耗的功率也很大，在控制方式略顯死板的情況下，傳統的繼電器控制方式已經被淘汰；目前在只能推行優勢化控制，微機控制使用的比較多，這就使整個控制出現抗干擾能力差的局面，后期維修會產生困難，所以采用PLC控制的多為高新技術或者電子行業。

目前提及的PLC控制，多是以PLC為依托，將計算機、自動控制和通信技術三者融為一體。由于自動控制系統之間要相互通用，所以結構就偏于簡單，編程過程也耗時較短，這就能集中體現出PLC的優勢，且其優勢能保證性能的良好和可靠，同時由于抗干擾能力較強，所以維修期間能做到方便和快捷，在大的背景環境下，選用機械手操作是最具效果的。

二、基于PLC的上下料機械手設計

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，實現了壓力數值的顯示。本文還通過CAE的仿真優化設計，為了進一步實現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工作模式，需要進行連續工作模式按鈕，可以根據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的，手動按鈕可以實現機械手的各種動作操作，從而滿足實際生產的需求，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。在經過CAE軟件操作的優化的過程中，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需求；然后細化設計模型，建立設計變量和目標函數之間的關系，得到性能最優的設計參數。本文根據機械手的運動要求將機械手的抓取機構進行優化，從而繪制PLC控制流程圖，通過對梯形圖控制程序的編寫，滿足了實際生產機械手的工位需求。

2、PLC軟件設計

系統設有手動、連續、單周期、單步和回原點三種工作方式。機械手為初始狀態時稱為系統處于原點狀態，在進入手動、連續、單周期和單步工作方式之前，系統應處于原點狀態。機械手從初始狀態開始，到夾緊工件、接到工件并將其放到指定位置的過程稱為一個工作周期，在自動工作方式下，按下啟動按鈕，機械手反復地工作，但按下停止按鈕機械手并不會立即停止工作，而是完成一個周期的工作后返回并停留在初始步。單步操作常用于系統的調試，在單步工作方式下，按下啟動按鈕系統只完成一步的動作，再次按下啟動按鈕，系統接著完成下一步動作。對于本系統而言，當接通I0.3時，系統進入單步工作方式，按一下啟動按鈕，上料垂直氣缸下降，再按一下啟動按鈕，手指夾緊工件，如此一步一步的動作。將選擇開關打到連續工作方式位置，I0.1為1狀態，系統進入連續工作方式。MO.5為原點條件，在初始步為活動步的情況下按下啟動按鈕I0.5，紅外光電開關檢測是否有料，若有，則I2.3為1狀態，M2.O變為1狀態，上料垂直氣缸下降。同時，控制連續工作方式的線圈M0.7“通電”并自保持。

3、硬件結構設計

3.1 伺服電機選擇

電機選擇方面，本課題選用交流伺服電機，因為隨著電機調速方法的不斷研究，目前能夠將電機調速范圍與成本降低到寬調速直流電機。同時，交流伺服電機擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應用。而直流伺服電機內部存在電刷和換向器因素，導致電機工作可靠性降低，提高后期運行成本；交流異步電動機雖然沒有電刷磨損，結構簡單，成本較低，但應用時對其調速十分煩瑣，成本相對較高，不經濟適用。考慮到電機后期維護方便，本課題的升降電機與旋轉電機都選用交流伺服電機PanasonicMDMA152P1U型號，便于后期保養維修，采用的驅動器為MDDDT5540型號。

3.2 氣缸和閥門的選擇

本機械手驅動系統運動速度由氣流調節閥控制，運動方向由電磁閥控制。目前，氣體驅動系統憑借其價格低廉等優點在工業中得到廣泛應用。同時氣動夾持器由于氣體的可壓縮性，在捕獲過程中具有一定的靈活性，不會由于力度過大導致被抓取物破壞。根據指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個具有可調緩沖裝置的雙作用氣缸，并設有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個一位單通閥門，本設計為了能夠保證氣缸在斷氣狀態下保持氣缸內部的壓力，所以根據經驗選用SMC公司的VZ110氣開閥。

3.3 傳感器的選擇

傳感器的功能是將被測物的物理量轉變成由控制系統可以識別的電信號。實時檢測系統本身以及工作對象、工作環境的狀況，為控制系統提供有效精準的電信號。本課題研究的機械手，位置檢測裝置主要用來判斷機械手執行左旋/右旋，上升/下降等動作時是否到位，通常選擇行程開關，并將其安裝在預先設定的位置。本機械手選用直線接觸式行程開關，當行程開關檢測到機械手運動到預定位置時，立即終止當前動作，準備運行下一動作。

三、結語

綜上所述，PLC控制的機械手能夠滿足生產中工序要求，具有較高的穩定性、可靠性和安全性，且結構簡單、成本較低，能夠較好地實現自動化的生產。

參考文獻：

[1]王學良，張秋菊.基于PLC的機械手自動上下料控制系統設計[J].中國制造業信息化， 2012（15）：59-62.

[2]張海英，劉勝明.基于PLC的自動上下料機械手設計[J].裝備制造技術，2010（09）：70-71+74.endprint