基于PLC的上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)探析

崔海龍

摘要：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。

關(guān)鍵詞：PLC；上下料機(jī)械手；設(shè)計(jì)

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。

一、機(jī)械手的概述

機(jī)械手主要是以人手臂為原型，然后通過編程設(shè)置機(jī)械手的固定動(dòng)作，機(jī)械手在施工期間能通過各個(gè)零部件間的配合實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)等動(dòng)作，是一種能進(jìn)行自動(dòng)化操作的設(shè)備。早期的機(jī)器人多為機(jī)械手機(jī)器人，關(guān)于機(jī)械手的研發(fā)，能讓人從繁重的勞動(dòng)中解放出來，特別是在生產(chǎn)強(qiáng)度較高的情況下，機(jī)械手不但能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，也能在較大程度上讓工作人員的安全得以保障。使用機(jī)械手不僅能帶來生產(chǎn)能力的提高，也能讓其應(yīng)用的自動(dòng)化程度得到發(fā)展，工作期間人員安全得到保障，所以當(dāng)前機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都能得到切實(shí)的應(yīng)用。

根據(jù)當(dāng)前的狀況能夠獲悉，使用PLC或者繼電器控制，能讓機(jī)械手的控制方式得以強(qiáng)化。現(xiàn)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(tǒng)的繼電器控制方式已經(jīng)被淘汰；目前在只能推行優(yōu)勢(shì)化控制，微機(jī)控制使用的比較多，這就使整個(gè)控制出現(xiàn)抗干擾能力差的局面，后期維修會(huì)產(chǎn)生困難，所以采用PLC控制的多為高新技術(shù)或者電子行業(yè)。

目前提及的PLC控制，多是以PLC為依托，將計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和通信技術(shù)三者融為一體。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)之間要相互通用，所以結(jié)構(gòu)就偏于簡單，編程過程也耗時(shí)較短，這就能集中體現(xiàn)出PLC的優(yōu)勢(shì)，且其優(yōu)勢(shì)能保證性能的良好和可靠，同時(shí)由于抗干擾能力較強(qiáng)，所以維修期間能做到方便和快捷，在大的背景環(huán)境下，選用機(jī)械手操作是最具效果的。

二、基于PLC的上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、機(jī)械手PLC總控制程序的設(shè)計(jì)

在機(jī)械手臂的下降和上升的程序設(shè)計(jì)中，只是兩者的輸入和輸出的地址不同。在壓力檢測(cè)方面，只有檢測(cè)到鍛件毛坯夾緊以后才可以進(jìn)行下一步的位移動(dòng)作，所以首先應(yīng)該進(jìn)行壓力的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了壓力數(shù)值的顯示。本文還通過CAE的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)按鈕與停止按鈕進(jìn)行合并。同時(shí)為了確定機(jī)械手臂是處于手動(dòng)工作模式還是處在連續(xù)工作模式，需要進(jìn)行連續(xù)工作模式按鈕，可以根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況來調(diào)整機(jī)械手臂的位置。同時(shí)為了保證機(jī)械手的正常運(yùn)行，機(jī)械手在每一個(gè)工作周期內(nèi)都要進(jìn)行初始位置的檢驗(yàn)，如果不是回到初始位置，則應(yīng)該執(zhí)行回到回轉(zhuǎn)原點(diǎn)的操作。和啟動(dòng)的程序一樣，機(jī)械手臂工作的運(yùn)行方式也是通過按鈕來實(shí)現(xiàn)的，手動(dòng)按鈕可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動(dòng)作操作，從而滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，只需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，盡量減少機(jī)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(jié)果步驟來進(jìn)行，首先應(yīng)該對(duì)機(jī)械手臂的模型進(jìn)行優(yōu)化，建立相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括各種零件的設(shè)計(jì)以及機(jī)械手自由度的設(shè)計(jì)；其次，對(duì)機(jī)械手的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，測(cè)試模型設(shè)計(jì)是否能夠滿足生產(chǎn)需求；然后細(xì)化設(shè)計(jì)模型，建立設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，得到性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。本文根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要求將機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而繪制PLC控制流程圖，通過對(duì)梯形圖控制程序的編寫，滿足了實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械手的工位需求。

2、PLC軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、連續(xù)、單周期、單步和回原點(diǎn)三種工作方式。機(jī)械手為初始狀態(tài)時(shí)稱為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)，在進(jìn)入手動(dòng)、連續(xù)、單周期和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。機(jī)械手從初始狀態(tài)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(gè)工作周期，在自動(dòng)工作方式下，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手反復(fù)地工作，但按下停止按鈕機(jī)械手并不會(huì)立即停止工作，而是完成一個(gè)周期的工作后返回并停留在初始步。單步操作常用于系統(tǒng)的調(diào)試，在單步工作方式下，按下啟動(dòng)按鈕系統(tǒng)只完成一步的動(dòng)作，再次按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)接著完成下一步動(dòng)作。對(duì)于本系統(tǒng)而言，當(dāng)接通I0.3時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入單步工作方式，按一下啟動(dòng)按鈕，上料垂直氣缸下降，再按一下啟動(dòng)按鈕，手指夾緊工件，如此一步一步的動(dòng)作。將選擇開關(guān)打到連續(xù)工作方式位置，I0.1為1狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入連續(xù)工作方式。MO.5為原點(diǎn)條件，在初始步為活動(dòng)步的情況下按下啟動(dòng)按鈕I0.5，紅外光電開關(guān)檢測(cè)是否有料，若有，則I2.3為1狀態(tài)，M2.O變?yōu)?狀態(tài)，上料垂直氣缸下降。同時(shí)，控制連續(xù)工作方式的線圈M0.7“通電”并自保持。

3、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 伺服電機(jī)選擇

電機(jī)選擇方面，本課題選用交流伺服電機(jī)，因?yàn)殡S著電機(jī)調(diào)速方法的不斷研究，目前能夠?qū)㈦姍C(jī)調(diào)速范圍與成本降低到寬調(diào)速直流電機(jī)。同時(shí)，交流伺服電機(jī)擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應(yīng)用。而直流伺服電機(jī)內(nèi)部存在電刷和換向器因素，導(dǎo)致電機(jī)工作可靠性降低，提高后期運(yùn)行成本；交流異步電動(dòng)機(jī)雖然沒有電刷磨損，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但應(yīng)用時(shí)對(duì)其調(diào)速十分煩瑣，成本相對(duì)較高，不經(jīng)濟(jì)適用。考慮到電機(jī)后期維護(hù)方便，本課題的升降電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)都選用交流伺服電機(jī)PanasonicMDMA152P1U型號(hào)，便于后期保養(yǎng)維修，采用的驅(qū)動(dòng)器為MDDDT5540型號(hào)。

3.2 氣缸和閥門的選擇

本機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度由氣流調(diào)節(jié)閥控制，運(yùn)動(dòng)方向由電磁閥控制。目前，氣體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)憑借其價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)氣動(dòng)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(huì)由于力度過大導(dǎo)致被抓取物破壞。根據(jù)指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個(gè)具有可調(diào)緩沖裝置的雙作用氣缸，并設(shè)有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個(gè)一位單通閥門，本設(shè)計(jì)為了能夠保證氣缸在斷氣狀態(tài)下保持氣缸內(nèi)部的壓力，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(cè)物的物理量轉(zhuǎn)變成由控制系統(tǒng)可以識(shí)別的電信號(hào)。實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)本身以及工作對(duì)象、工作環(huán)境的狀況，為控制系統(tǒng)提供有效精準(zhǔn)的電信號(hào)。本課題研究的機(jī)械手，位置檢測(cè)裝置主要用來判斷機(jī)械手執(zhí)行左旋/右旋，上升/下降等動(dòng)作時(shí)是否到位，通常選擇行程開關(guān)，并將其安裝在預(yù)先設(shè)定的位置。本機(jī)械手選用直線接觸式行程開關(guān)，當(dāng)行程開關(guān)檢測(cè)到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，立即終止當(dāng)前動(dòng)作，準(zhǔn)備運(yùn)行下一動(dòng)作。

三、結(jié)語

綜上所述，PLC控制的機(jī)械手能夠滿足生產(chǎn)中工序要求，具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，且結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，能夠較好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)。

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