機械臂的控制系統設計

楊柳

摘 要：在工業生產過程中，機械臂通常也被叫做工業機器人，是能夠幫助很多工廠實現現代化道路的重要設備之一。為了工業的發展跟祖國的繁榮富強，對工業機器人的研究和投入使用具有很高的價值和現實意義。

關鍵詞：機械臂;控制;設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.021

1 機械臂的功能分析

機械臂的功能就是代替正常人完成一些動作，進行零部件安裝，以及檢測工人在安裝零部件的時候是否安裝不全，如果零件安裝不全，這時候系統就需要發出警報，然后工人就會去安裝缺失的那部分零件。在工人工作的時候，同時也要保證機械臂的正常運行，在設計機械臂的大致過程中，要保證機械臂具備以下的功能：

（1）正常旋轉功能。即在機械臂檢測零件的過程中，必須保證機械臂是可以旋轉的，這樣才可以將照相機移到相應的零件位置，從而進行檢測該位置是否安裝了零件，并完成拍攝工作，這樣就可以很清楚的知道。工作速度分兩個，一個速度是機械臂在自動運行時候用的，而另一個速度是用來示教時候用的。

（2）示教功能。當工人拿著觸摸屏的時候，按一次按鈕就可以控制機械臂運動一次，從而完成三個點的檢測。

（3）再現功能。工人只要按一下觸摸屏上面的自動運行按鈕，機械臂就會一次性完成三個點的零件檢測工作，并進行拍照。

（4）檢測功能。當機械臂運動到相應零件位置的時候，這時候就可以進行檢測了，與此同時安裝在機械臂前段的照相機就得負責拍照并送回照片信息。

（5）報警功能。當系統檢測到零件安裝位置未裝有零件，這時候系統就應該發出警報信息。如果安裝了零件，則不發出警報，并繼續下一個零件位置的檢測。

2 機械臂的總體方案的確定

2.1 機械系統方案的確定

在設計機械臂的時候，采用的是步進驅動器跟步進電機，4自由度機械臂也就是需要4個步進電機跟4個步進驅動器。4個自由度分為3個旋轉自由度跟1個移動自由度。

2.2 電氣控制系統的設計

用可編程控制輸出脈沖從而控制4個步進電機的運動，觸摸屏與可編程控制器相連接，通過觸摸屏來實現機械臂的運動控制。

本章就是確定了機械臂的功能是用來檢測零件是否缺失，如果檢測結果顯示沒有缺失，則進行下一個位置的檢測;如果該位置零件缺失，則發出警報，從而工人將缺失的零件給補裝上。同時也確定了機械臂的運動是靠步進驅動器跟步進電機來驅動的，步進驅動器與步進電機相連接，通過可編程控制器來實現步進電機的驅動，而可編程控制器的輸入端則與觸摸屏相連接，通過觸摸屏上的按鍵對可編程控制器進行輸入，從而使可編程控制器有了相應的輸出，最終實現了機械臂的運動控制。

3 機械系統分析及器件選擇

3.1 步進電機的選擇

要想實現機械臂的運動，步進電動機是必不可少的，因此就需要進行型號選擇。在這里我選用的是Kinco步進電機，這時候就需要根據以下的流程圖來計算保持扭矩，從而來選擇步進電機型號。

根據計算公式，計算扭矩，所以選的步進電機分別為2S86Q-051F6，2S86Q-4580，2S57Q-0956和2S42Q-0240型號。

3.2 步進驅動器的選擇

上面已經選完了步進電動機，但是光有步進電機是沒有用的，因為步進電機不能直接連接可編程控制器，PLC與步進電機之間必須接入步進驅動器，所以我們選完步進電機還需要選步進驅動器。在上一步已經根據計算選好了步進電機，然后根據Kinco步進電機與步進驅動器選型手冊，進一步選取步進驅動器。根據相關選型表，再根據選好的步進電機，所以選擇的步進驅動器的型號分別為：2CM880，2CM880，2CM545和2CM525型號。

3.3 機械臂的機械運動設計

（1）確認4自由度機械臂的機械運動方式。機械臂的運動方式必須滿足能夠檢測到三個點，所以就將4自由度的機械臂分成三個旋轉運動跟一個移動運動。前3個電機控制A軸，B軸，C軸正反轉，而第4個電機控制軸的升降，在軸的前端放的是照相機，用于檢測過程中進行拍照，從而判斷該點零件是否缺少安裝。

（2）運用三維軟件Solidworks繪制機械臂的零件圖。首先進行機械臂零件圖的繪制，零件圖繪制的步驟如下：

1）右擊或雙擊三維繪圖軟件Solidworks圖標，從而打開了Solidworks軟件;2）新建文件;3）選擇零件繪制;4）草圖繪制;5）繪制零件草圖;6）退出草圖;7）進行拉伸或者旋轉;8）編輯材料。

畫完每一個零件圖都另存為同一個文件夾，以便于裝配的時候添加。

（3）運用Solidworks進行零件裝配。SolidWorks進行裝配的步驟如下：

1）打開SolidWorks三維繪圖軟件;2）新建文件，選擇裝配體;3）開始裝配體，點瀏覽文件夾，將剛剛所畫的零件另存，最好是存放在同一個文件夾里，最后將所完成的零件一個個添加進來;4）開始配合各個零件，使之能成為一個整體;5）搞清楚哪部分是需要動的，搞清楚是怎樣的運動，在配合的時候就需要注意;6）4自由度的機械臂可以分四部分進行裝配，先從底座開始裝配，開始是三個旋轉副，最后是移動副。

（4）運用Solidworks進行仿真。三維軟件Solidworks仿真步驟如下：

1）打開SolidWorks三維繪圖軟件;2）在菜單欄執行打開文件的命令;3）打開裝配體;4）進行仿真設置。

4 結論

綜上所述，機械臂不僅能夠幫助很多工廠實現現代化道路，而且還能為工廠帶來可觀的經濟利益。通過對機械臂的控制系統設計進行分析，對于工業機器人的研究和投入使用有著重要的價值和現實意義。

參考文獻：

[1]王連明，陳鐵鳴.機械設計第二版[M]，哈爾濱工業大學出版社，1998：200-207.

[2]吳宗澤.機械設計手冊[M].機械工業出版社，2002.