基于PLC控制的變速器搬運機械手系統設計與實現研究

郭永鳳

（陜西國防工業職業技術學院陜西西安710300）

在我國社會經濟不斷發展的過程中，現代工業也在不斷的發展，并且在工業生產過程中也已經普及使用了流水生產線。因為人工的包裝及搬運不僅耗時耗力，而且在環境較為惡劣的背景下無法實現工作，所以傳統工作方式已經無法滿足我國現代經濟發展需求，以此就出現了自動化的生產模式，并且機械手也已經被廣泛應用到工業自動化生產的各方面中[1]。機械手能夠對人手臂的某些動作功能進行模仿，根據固定的程序抓取物品、搬運物品或者實現操作工具的自動化裝置。其能夠代替人在復雜的環境在工作，以此有效實現了生產的自動化及機械化，并且還能夠在特殊情況下保護人身的安全[2]。PLC可編程控制器是將中央處理器作為核心，其中使用自動控制、計算機等較為先進的技術，其功能較為完善，并且具有較高的可靠性、組合較為靈活、功能消耗較低、編程較為簡單，其能夠降低人們的勞動程度，提高現代工業生產的自動化程度，所以是現代工業生產控制中使用最為廣泛的方式[3]。基于此，本文就實現了基于PLC控制的變速器搬運機械手的系統設計，并且在最后對系統進行了實現。

1 變速器搬運機械手的結構

圖1為變速器搬運機械手的結構，通過圖1可以看出來，本文所研究的變速器搬運機械手是使用龍門式架構設計的，其中具有主裝配線和試驗線，并且在龍門橫梁中安裝機械手運動。龍門框架水平方向實現機械手X軸的安裝，機械手X軸和Y軸分別都在溜板中安裝了伺服電機。機械手底部是夾爪，其能夠通過變速器實現夾爪的設計，所以就將夾緊氣缸設置到了夾爪的一邊[4]。因為變速器在試驗線和主裝配線中的安裝位置不同，為了能夠使變速器搬運機械手能夠實現設置的運動，所以將翻轉結構及姿態調整設置在機械手結構中，以此使變速器能夠變換不同的姿勢，將翻轉機構及夾爪相互連接，并且設置翻轉氣缸，使其能夠使夾爪根據中心線的正反方向進行旋轉，從而能夠使變速器進行旋轉，姿態調整機構連接夾爪安裝板，并且具備姿態調整氣缸，在底部設備根據軸線進行旋轉，調整變速器的姿態。在主裝配線變速器運動時，夾爪開口要通過X方向在試驗線中安裝變速器，夾爪的靠口要順著Z方向將機械手底部夾持裝置進行旋轉，以此對夾爪的朝向進行改變，在豎直立柱中實現旋轉氣缸和旋轉機構的安裝，通過機構的相互連接能夠促進其中裝置的不同方向旋轉，從而改變夾爪的朝向，以此有效滿足機械手在搬運過程中的需求[5]。

圖1 變速器搬運機械手的結構

變速器屬于全自動的工作和運動，在其運動過程中不需要人工干預，如果系統無障礙運動，主裝配線的變速器就會向機械手下發相應的指令使機械手能夠抓取物體，探后通知主裝配線，機械手變速器會到試驗線中融入，在此過程中能夠實現多種工作運動，如果機械手到達試驗線上方的時候就會通知機械手能夠將箱體放下，如果沒有準備試驗線，其就會等待。在機械手放箱之后就會發送試驗線放箱成功消息，然后準備，進入到下一個循環中[6]。圖2為搬運機械手控制系統的順序功能，圖3屬于變速器搬運機手的工作流程。

2 機械手的設備型號選擇

2.1 夾緊機構

機械手的手爪的主要目的就是抓取箱體，手爪在工作過程中要滿足精準、靈活、迅速及可靠的要求。在夾緊機構制造過程中，要要全面考慮機械手的坐標形式、運動速度及加速度，夾緊力的大小和箱體的重量、沖擊力及慣性具有密切的聯系。之后還要全面考慮開口的尺寸，要滿足被抓箱體尺寸變化范圍的需求，還要具有多個抓取機構，從而根據實際需求對手爪進行更換。為了避免箱體在抓取過程中損壞，要對夾緊力進行限制。本文使用二指式手爪進行設置，使用可編程的控制器對繼電器進行控制，以此實現電磁閥動作的控制[7]。

2.2 軀干結構

軀干主要包括手臂和上梁，上臂是對機械手的重量進行支撐，將小車安裝到上梁中，通過異步電動機對小車運動進行控制，利用PLC對變頻器進行控制，并且還能夠對變頻器的轉向及轉速進行控制，實現小車移動的速度及方向控制。手臂是機械手的主要部分，其能夠支撐工件和手爪的運動，本文手臂設計包括數軸，能夠實現升降的運動。手臂通過異步電動機帶動螺母和絲杠進行升降，通過PLC發出的信號對變頻器進行控制[8]。

2.3 電動機

文中使用YS系列異步電動機，功率的不同選擇不同的型號，此系列的電動機結構較為簡單，并且運行過程中較為可靠，維護較為方便。

2.4 變頻器

變頻調速電氣的傳動調速范圍較大，并且具有良好的靜態穩定性，較高的運行效率，廣泛應用到工業中。變頻器一般都是通過電力半導體的通斷作用將工頻電源轉換成為另外頻率的電能控制裝置。本文使用三菱公司變頻器對異步電動機進行控制，實現電動機正轉、反轉、慢轉及快轉的變化，以此控制機械手的前進、后退、上升及下降控制[9]。

圖2 搬運機械手控制系統的順序功能

3 電控的硬件設計

機械手控制系統的硬件結構要能夠更好的實現控制功能，機械手電氣控制系統要求具有連續控制、單周期控制及手動控制等操作，圖4為機械手控制面板圖。

根據工件在生產及搬運過程中的特點及需求，機械手的控制按鈕分布詳見圖3，在按鈕處于原點位置的時候，系統就會自動回到右上角的位置等待，在按鈕到連續位置的時候，系統就會自動實現各種操作并且循環工作。在按鈕到達手動的時候，每個工序都要根據步驟按鈕實現[10]。

1）停止。在機械手工作過程中如果出現搬運不穩、抓取不牢等多種問題的時候，就能夠按下停止按鈕，使所有的運動都能夠停止，直到將系統重新啟動。此按鈕能夠避免出現事故，降低由于事故導致的損失。

2）啟動。在系統上電并且機械手為自動模式的時候就會按下啟動按鈕，機械手根據指令運行[11]。

圖3 變速器搬運機手的工作流程

圖4 機械手控制面板圖

3）工作模式的選擇。在機械手正常工作的時候能夠將其調送到連續模式，機械手就能夠自動的運行。如果機械手在運行過程中出現故障，其就會自動報警，并且將機械手調到手動模式。

4）手動控制。通過按鈕控制機械手的每個動作。比如，按下下降按鈕，機械手就會下降；按下上升按鈕，機械手就會上升[12]。

4 系統PLC控制設計

4.1 控制系統的輸入和輸出

表1為可編程序控制器的輸入點，表2為可編程序控制器的輸出點。

4.2 PLC外部接線圖

圖5為PLC的外部接線示意圖，圖6為基座電機的接線圖，圖7表示為氣夾電機的接線圖，圖8為PLC的硬件結構。

4.3 編寫腳本程序

其一，事件命令語言。在瀏覽器中選擇時間命令語言，之后實現圖表的新建，然后使“停止按鈕==1”輸入到事件描述中[13]。

表1 控制器的輸入點

表2 控制器的輸出點

之后確認編寫事件命令語言。

其二，應用程序命令語言。通過瀏覽器實現應用程序命令語言的選擇，右側圖標雙擊，就會出現應用程序命令語言，在其中對機械手控制程序進行編寫[14]，輸入以下程序：

5 系統的實現

圖9為變速器搬運機械手系統的操作界面，通過圖9可以看出來，系統主要包括多個畫面，并且還具有X軸和Y軸，能夠便于機械手在水平及豎直方向移動的控制。通過對系統運行表示，基于PLC控制的變速器搬運機械手系統能夠滿足預期的目的[15-16]。

圖5 PLC的外部接線圖

圖6 基座電機接線圖

圖7 氣夾電機的接線圖

6 結束語

圖8 PLC的硬件結構

圖9 變速器搬運機械手系統的操作界面

文中對基于PLC控制的變速器搬運機械手系統進行了設計，系統能夠有效滿足各個環境的運行需求，配合啟動及伺服控制，系統的結構較為簡單，并且運行過程中較為靈活，抗干擾能力和通用性較強，而且穩定。在生產過程中使用本文設計的變速器搬運機械手能夠有效提高自動化程度和生產效率，有效降低產品的出廠成本和人力成本，以此有效提高企業的經濟效益。