基于PLC控制的機械手臂設計

姚海妮 殷鳳蘭

【摘要】伴隨電子技術和信息技術的迅猛發展，造業出現了驚人的變化，特別是工業機器人的發展，更加快了我國現代制造業的腳步，機械手是一種能實現自動控制、可編程控制、自由度高的自動化生產設備，可用于材料搬運、零件調度，能完成各種作業，基于PLC編程控制的機械手具有和人手臂相似的動作功能，可根據需要編制程序，使其能靈活的抓放物體，完成指定的動作，是當下應用非常實用的生產裝備。本文設計的機械手是多關節結構，靈活性好、實用性強，安全度高，可以提高工作效率，并能實現自動化、無人化。

【關鍵詞】PLC 多自由度 工業控制

引言：機械手是一種生產裝備，可提供作業所需的運動和動力，自動實現手部作業，基于PLC控制的機械手臂設計為多關節，體現在手的抓取、手腕的旋轉、手的伸縮，通過控制裝置、傳動系統、執行機構，最后通過檢測系統形成閉環系統，它動作靈活，將機械、液壓傳動與電氣相結合實現平面四桿機構的抓取，特別適用于工業和食品行業，可以提高工作效率。

1、機械手總體結構

工業機械手臂是由PLC進行總體控制，經傳動中樞，通過液壓傳動驅動，經執行機構到查詢系統，最后進行檢測，形成一個閉環系統，本設計的機械手屬于圓柱坐標型，按照圓柱坐標形式動作，靈活性好，作業空間范圍較大，剛度、精度較高，整體設計結構簡易，滿足功能要求。

2、機械手的夾持器結構設計

機械手的夾持器為雙指手爪式，本設計采用回轉式連桿夾持器，結構簡單，當驅動器推動桿上下移動時，由桿、連桿、擺動鉗爪和夾持器構成四桿機構，迫使鉗爪完成夾緊和松開動作，夾緊力

在結構尺寸b、c和驅動力F_P一定時，夾緊力F_N和α角成反比，當α角較小時，夾緊力較大，當α=0時，爪鉗閉合到最小極限位置。

3、驅動裝置的設計及計算

將各驅動方式對比，本設計采用液壓式的驅動方式，它速度較快，結構簡便，抓重大，重復定位精度較高，臂力可達900N以上，機械手臂的結構類型由對應的機械結構和驅動系統的類型來決定，本設計采用液壓驅動的優點是動力大，易于實現直接驅動，可靠性高，能夠實現連續控制，擴大了機械手臂的用途范圍，使得機械手臂在機械制造的各個行業得到推廣使用。

本文設計的機械手臂能夠進行伸縮、回轉，靈活的抓取動作，通過液壓缸驅動手臂伸縮，活塞桿固定不動，采用燕尾型導軌導向，剛度大，工作平穩，手臂回轉運動采用擺動液壓馬達驅動，其固定在手臂支架上，液壓馬達動片轉動時，利用擋塊和行程開關定位。整個驅動裝置主要由機械手爪，爪殼，活塞桿，活塞殼等組成。

計算夾緊缸驅動力

爪殼和缸殼連成一體，當壓力油從液壓缸油管右側進油時，活塞桿向左移動，推動手爪閉合;當壓力油從液壓缸左邊進油時，拉

4、機械手的可編程控制

本設計采用三菱FX2N系列PLC進行控制，它是三菱FX2N系列PLC中功能最強、速度最快的小型可編程控制器。基于三菱FX2N系列PLC控制的機械手程序簡單，活動靈活，便于實現控制。

工業機械手的電氣控制系統相當于CPU，它不但協調控制機械手的各部分動作，還要統籌機械手與生產系統之間的動作。機械手的動作位移順序、到達指定的位置，包括上下、左右的移動、伸縮、回轉及擺動、手腕的擺動和回轉、手指的張、開動作，以及各個動作的時間、速度等，都是在PLC的指揮下，按照預先設計好的程序來實現的。整個過程包括：電氣控制路線圖，根據控制要求完成I/O地址的分配，完成PLC硬件接線圖的設計，繪制梯形圖，輸入調試控制程序。

5、小結。機械手屬于工業機器人的一種，它通過各個關節的運動來實現其末端執行器的位姿變化，其位姿體現了末端執行器在指定坐標系中的位置姿態，本設計的機械手臂由三菱PLC整體控制，編程簡便，可根據需要編程控制、調整機械手臂的動作，由液壓驅動它的各個關節的運動來實現手部作業，末端執行器可滿足作業動作要求，基于PLC控制的機械手臂操作靈敏，調試方便，并且在工程應用之前可進行仿真調試，可以提高工作效率。

參考文獻：

[1]王為.機械設計[M].湖北：華中科技大學出版社，2007.

[2]付亞子.機械手控制系統[C].湖北：湖業工業大學，2000.

[3]楊德華.通用機械手設計[C].湖北：湖業工業大學，2000.

[4]聞邦椿.機械設計手冊5版[M].北京：機械工業出版社，2012.