自動化生產線搬運機械手控制系統的設計

李金斗

(齊齊哈爾工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

1 機械手整體設計

1.1 機械手整體結構設計

圖1 機械手三維視圖

本文設計的機械手屬于典型的直角機械手。主要組件是支架、電機、吸盤、Y方向上的移動壁和Z方向上的吊臂。圖1是操縱器的三維視圖。與這個數字結合起來并不難發現。要沿Y方向移動，需要依靠導軌系統。雙面龍門架和兩側帶有導軌的機架構成了機械手的基礎。機械手通過滑塊固定。機械手的Y方向移動臂由齒輪、減速器和齒輪固定。伺服電機的旋轉使齒條機構在滑塊上移動，并完成Y方向上的前進/后退運動，因此，精確控制伺服電機可以實現Y方向上的精確運動和定位。

1.2 氣缸的選型

整個機械手裝置的參數設計非常重要，首先，液壓缸是氣動控制回路系統中的重要執行元件，本文的設計使用了直線運動液壓缸。 根據碼垛產品的平均尺寸和重量，鋼瓶參數計算如下：使用的氣缸類型為SC32X25，氣缸直徑75mm，最大行程300mm。

1.3 具體設計

具體設計主要包括氣缸選擇，氣動元件選擇，電氣元件選擇和吸盤末端力計算。具體設計細節如下：油缸選擇，直線運動油缸，碼垛產品的平均重量和尺寸，當使用SC32X25型油缸時，該油缸的最大行程為300mm，內徑為它是75mm。氣動元件的選擇使用無油靜音空氣壓縮機，4V330-10電磁方向控制閥和ZP吸盤作為空氣壓縮機，這3個品牌分別是PANDA、德力西和SMIC。電氣元件的選擇包括80O AEAO7530-SC3型伺服電動機，YZ-ACSD608型電動機驅動器和PLX型電動機減速器，品牌為時代超群、Freud和MOVING。結合圖1可以很容易地計算出機械手的末端力，即機械手的末端執行器的機械臂需要跟隨該機械手。因此，需要一個公式來計算吸盤的直徑。公式C，t和n分別是堆疊重量和安全系數。抽油桿的數量，R是抽油桿的直徑。由于平均負載重量為2000N，一個吸盤的直徑為160mm，因此水平吸盤下的吸盤真空度為39808.9MPa。對于某些設計，應使用最大真空的40%～60%之間，以確保抽油機的涂層質量。

2 控制系統設計

機械手控制系統具有手動、單循環、單步、循環等工作模式。控制要求如下：按下復位按鈕，將其返回到其原始位置(機械手處于上下限)。單步表示每次按下啟動按鈕時，機械手執行一個動作。一個周期是一個動作周期的執行，最終返回其初始位置。循環表示操縱器重復執行操作，直到按下復位或停止按鈕。機械手的控制/操作電路由PLC程序實現，分為自動程序和手動程序，該自動程序包括一個步驟，一個周期和一個周期性的工作程序。本手冊主要用于硬件調試。如果在梯形圖中使用跳轉指令，則自動程序和手動程序將不會同時執行。根據系統的控制規律，下一步的工作條件是基于上一步已完成的假設，因此采用了順序功能圖的設計方法。機械手系統自動控制程序的順序功能。

2.1 系統硬件組成

機械手控制系統的硬件配置包括主控制器PLC和外部輸出設備。主控制器使用三菱PLC，它包括電源、存儲器和通信端口。輸入設備包括傳感器、控制按鈕、控制面板和觸摸屏，輸出設備主要包括逆變器、電磁閥、負載和繼電器。

2.2 主控電機電路設計

采用西門子公司生產的S7-200CN 40點PLC，其自動循環操作完成時間8s、手動操作完成時間為12s，采用FR-E540-25K-CHT型變頻器，并采用標準配置USB編程。使用VFD-E型RS-485通信擴展板來滿足通信需求。當棍道上有產品傳送時，可以使用高速模式，快速將待檢產品傳送到工位，當玻產品定位的時候使用中速模式，方便傳感器定位。當輾道上產品取完時，使用低速模式，減少輾道機械磨損的同時延長設備使用壽命。

2.3 PLC編程

機械手控制系統具有2種主要控制模式。手動開關控制和觸摸屏控制。主控制器上Mitsubishi PLC的IO端口用作輸入和輸出，以控制整個機械手的操作。對于手動控制，需要8個開關來控制X、Y和Z方向上的輸出伺服電動機，并且終端輸出會夾緊電磁換向閥，這對于手動調試和維護很有用。在觸摸屏控制模式下，有單循環和自動循環。單擊觸摸屏上的軟開關，將命令發送到觸摸屏上的輔助繼電器M，以控制輸出線圈的變化。其中，M1是單周期和自動周期選擇命令，M2是復位命令，M3是啟動命令，MO是備用命令。

2.4 伺服電機控制模型

機械手控制系統分為發送模塊和處理模塊。皮帶輪傳動和操縱機械手在X、Y和Z方向上的運動主要由伺服電機控制。機械手可以完成多個過程，例如向左移動，向右移動、向前、向后、向上、向下、夾緊和松開。因此，伺服電動機控制的研究對于機械手的移動位置和速度非常重要。

3 結語

設計的機械手是一種直角坐標式的機械手，可以幫助我們執行裝置伺服電機以及氣缸。結合現有的多自由度坐標系統機器人，可以設計新型的碼垛和裝卸機械手，為企業自動化生產奠定良好的基礎。在實際的制造測試中，使用PLC技術和伺服控制技術來控制碼垛和裝卸機械手，以便可以牢牢地抓住它們并將其穩定地放置在檢查柜的每一層上，并最終快速地完成。說明實現了有效的生產，降低了生產成本，提高了生產效率，滿足了企業的生產要求。由定序器設計的機械手電氣控制系統電路簡單，可靠性高，功能強大，整個系統穩定，準確地運行。同時，可以根據需要進行擴展。結合自動化機床，可以構建自動化生產線。