基于PLC 的上下料機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)

云立恒，盧燕

（濟(jì)南玖源機(jī)電科技有限公司，山東 濟(jì)南 250308）

0 引言

在當(dāng)今時(shí)代，機(jī)械手發(fā)展迅猛，尤其歐美、日本、瑞典等國(guó)家，其研發(fā)和制造水平處于世界領(lǐng)先地位。它可以與零件、負(fù)載一起工作，特別是在CNC 自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)械裝配模塊設(shè)備。目前，機(jī)械手開發(fā)了FMS 和FMC 中的大多數(shù)動(dòng)作[1]。機(jī)械手由于結(jié)構(gòu)小，柔性強(qiáng)，所以可配置在柔性加工系統(tǒng)和柔性生產(chǎn)單元中，也可存放在大型輸送設(shè)備上。我國(guó)機(jī)械技術(shù)水平與工程應(yīng)用還存在一定差距，尤其是在應(yīng)用和業(yè)務(wù)水平方面[2]。因此，加大對(duì)機(jī)械手的自主研發(fā)，滿足各行各業(yè)的生產(chǎn)需求，同時(shí)降低成本成為工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的重要前提[3]。本文基于PLC 的上下料機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)旨在提高裝卸機(jī)械手代替人工操作的效率和利用率。

1 基于PLC 的上下料機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)模式

機(jī)械手的動(dòng)作要求包括以下幾個(gè)方面：

（1）傳動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高；

（2）能夠快速動(dòng)作、準(zhǔn)確定位完成上下料工作；

（3）生產(chǎn)節(jié)拍：上片速度為6-7 片/min（可調(diào)節(jié)）；

（4）翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)角度可調(diào)，平放高度與磨邊機(jī)相適應(yīng)，平移行程為1100mm，翻轉(zhuǎn)半徑為1000mm。

如圖1 所示機(jī)械手布局測(cè)量工作，根據(jù)實(shí)際性能要求，機(jī)械手在作業(yè)上采取三種類型的運(yùn)動(dòng)：手臂運(yùn)動(dòng)、抓取運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此自由度數(shù)可達(dá)3，適用性廣。圓柱對(duì)位結(jié)構(gòu)機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作極限大，精度高，能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 機(jī)械手布局

1.2 機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的上下料機(jī)械手使用PLC 作為主控制器，通過(guò)傳感器檢測(cè)，實(shí)時(shí)控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作。設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)械手流水線有手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種模式[4]。

結(jié)合具體工況，本設(shè)計(jì)采用連桿型夾鉗。驅(qū)動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)活塞桿端齒條、中心齒輪和扇形齒輪重復(fù)運(yùn)動(dòng)，以打開或閉合手爪。手爪的最小開口由工作面的寬度決定。該設(shè)計(jì)是針對(duì)工件寬度設(shè)計(jì)的50mm。手爪的具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 手爪結(jié)構(gòu)圖

1.3 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腰部旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)主要驅(qū)動(dòng)形式：一種是通過(guò)減速方式驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一種是通過(guò)液壓缸或液壓馬達(dá)擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)不采用直連驅(qū)動(dòng)，而是使用減速機(jī)構(gòu)，同時(shí)增加扭矩。由于傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)改變，傳動(dòng)精度將受到影響，僅影響主傳動(dòng)回轉(zhuǎn)精度和高速性能（100rpm 及以上）。因此，為了降低變速誤差，使用高強(qiáng)度高硬度的材料進(jìn)行高精度加工。如圖3 所示為腰圍的具體結(jié)構(gòu)。

圖3 腰座的具體結(jié)構(gòu)

1.4 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂選用液壓缸作為機(jī)械臂，既是一體式結(jié)構(gòu)，又是動(dòng)力單元。由于液壓缸為正方向，液壓缸直徑越大，剛性越高。在附加導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，兩個(gè)附加導(dǎo)桿與活塞桿形成為四邊形，以盡可能提高活塞桿的剛性。為減輕質(zhì)量，每根導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。導(dǎo)桿的加入可以大大提高機(jī)械手的剛性和耐用性，徹底解決結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性問(wèn)題[5]。

1.5 手臂平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手采用柱式結(jié)構(gòu)。機(jī)械手主要關(guān)注機(jī)械手結(jié)構(gòu)、載荷以及整個(gè)機(jī)械手的外觀。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理反思和調(diào)整，可以盡可能地調(diào)整手臂本身的平衡。如果平衡結(jié)果與實(shí)際功能不滿意，可以增加彈簧平衡。

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 作業(yè)流程

機(jī)械手工作流程如圖4 所示。

圖4 機(jī)械手工作流程圖

從原點(diǎn)按開始鍵，水平液壓缸前進(jìn)開始伺服定位。機(jī)械手同時(shí)降低，夾爪打開。降低后，接觸驅(qū)動(dòng)下限位，停止降低。在夾爪夾緊工件后，機(jī)械手開始上升。上升到指定位置后，PLC 開始產(chǎn)生高速脈沖，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)械手。當(dāng)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，PLC 釋放脈沖，機(jī)械手停止旋轉(zhuǎn)。機(jī)械手下降，下降后，接觸下限位開關(guān)，下降停止，機(jī)械手將達(dá)到卡盤的中心高度。機(jī)械手開始水平定位，移動(dòng)，在機(jī)床的卡盤上加載工件，工件放置在規(guī)定位置，卡盤就會(huì)收縮，機(jī)械手釋放夾爪。然后，機(jī)械手上升，到達(dá)在規(guī)定的位置后，接觸上限位開關(guān)，關(guān)停止上升。PLC 開始產(chǎn)生高速脈沖，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)械手，旋轉(zhuǎn)90°后，PLC 釋放脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械手返回原點(diǎn)，開始準(zhǔn)備下一個(gè)工作周期。

2.2 控制器配置選型

PLC 本體集成有14 個(gè)DI 與10 個(gè)DO 總共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，含有16K 字節(jié)的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可擴(kuò)展7 個(gè)擴(kuò)展模塊最多擴(kuò)展168 個(gè)數(shù)字I/O 點(diǎn)或35 個(gè)模擬I/O 點(diǎn)。六個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，兩個(gè)20kHz 高速脈沖輸出，PID 控制器。RS485 通訊/程序口基于PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議及自由模式通訊能力。整個(gè)I/O 端子塊可以輕松拆卸。

2.3 PLC 外部接線設(shè)計(jì)

使用西門子SIMATIC S7-200（CPU224）PLC，考慮使用模擬位移傳感器和伺服放大器功能，增加EM232 模擬模塊。輸入輸出點(diǎn)及其接線如圖5 所示。

圖5 PLC 外部接線圖

2.4 機(jī)械手控制程序梯形圖

機(jī)械手控制程序的梯形圖如圖6 所示，用STEP7-Micro/WIN32 軟件編程獲得LAD 代碼。具體程序代碼，包括MAIN 系統(tǒng)、自動(dòng)子程序SBR-0、手動(dòng)子程序SBR-1、電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)器SBR_2、步進(jìn)控制系統(tǒng)步進(jìn)器SBR_3、干涉機(jī)械手INT_0。

圖6 主程序MAIN 梯形圖

2.5 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制主程序流程圖，如圖7 所示。

圖7 機(jī)械手控制主程序流程圖

3 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際加工生產(chǎn)線的需求，研發(fā)了一種自動(dòng)上下料機(jī)械手，完成了機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、研發(fā)制造成本較低，并且具有一定通用性，可用于不同加工生產(chǎn)線，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自主完成上料、定位、下料等功能。