唐少臣++韓屹威++毛行星

摘要：基于PLC控制的機(jī)械手具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過(guò)借鑒傳統(tǒng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)適用于工廠鍛件搬運(yùn)的機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)模擬仿真和設(shè)計(jì)。在對(duì)機(jī)械手液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為機(jī)械手的設(shè)計(jì)需要考慮回轉(zhuǎn)原點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)控制和自動(dòng)化控制三個(gè)因素；然后對(duì)適合機(jī)械手的PLC控制器、壓力和位移傳感器進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)參數(shù)選擇，同時(shí)還對(duì)整體程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)闡述，希望能夠給以后的機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒意義。

關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)械手；控制

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0013-02

隨著工業(yè)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，其已經(jīng)成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要技術(shù)。在制造業(yè)不斷發(fā)展的今天，機(jī)械手一方面可以代替人工進(jìn)行生產(chǎn)線的作業(yè)，另外一方面機(jī)械手可以按照實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求，按照一定的時(shí)間和程序設(shè)置來(lái)完成工作的卸載和傳送。機(jī)械手的廣泛應(yīng)用可以大大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)。如果機(jī)械手采用傳統(tǒng)的繼電器進(jìn)行控制，則會(huì)直接造成系統(tǒng)原件比較繁雜、穩(wěn)定性差以及出現(xiàn)故障概率高的特點(diǎn)。隨著PLC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)使用PLC來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，可以保證較高的可靠性和較低的故障率，使用起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)單。本文通過(guò)采用可編程控制器PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得控制過(guò)程精確可靠，使得在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中變得明確和清晰。

1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)分析

本文的機(jī)械手設(shè)計(jì)案例以鍛造車間的機(jī)械手為例，該機(jī)械手處在高溫的操作環(huán)境之中，機(jī)械手所要實(shí)現(xiàn)的功能就是將高溫的鍛件棒材加持到鍛造工位的傳送帶上。實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料準(zhǔn)確的搬運(yùn)，替代人工操作，改善工作環(huán)境。機(jī)械手的液壓系統(tǒng)主要包括了液壓驅(qū)動(dòng)、手臂的升降和收縮等系統(tǒng)，再加上液壓馬達(dá)。液壓換向回路使用三位四通閥進(jìn)行控制。在機(jī)械手設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）鍛件的重量較大，機(jī)械手應(yīng)該具備較大的夾緊力。同時(shí)工件在移動(dòng)的過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)較大的慣性，保證工件不會(huì)脫落。（2）機(jī)械手的手指應(yīng)該具備一定的夾角，手指的開閉角直接影響著工件能否順利的加持到鍛造工位上，對(duì)于手指的開閉幅度具有嚴(yán)格的要求；（3）機(jī)械手應(yīng)該保證工件在搬運(yùn)過(guò)程中的準(zhǔn)確定位，必須要根據(jù)鍛造工件的形狀來(lái)選擇機(jī)械手手指的形狀；（4）由于鍛件處在高溫狀態(tài)，在加持過(guò)程中應(yīng)該保證機(jī)械手具有較高的強(qiáng)度，另外機(jī)械手的結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量緊湊，使得機(jī)械手的重心能夠維持在手臂的回轉(zhuǎn)軸線上。（5）在機(jī)械手設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該考慮到被抓工件的要求。如果是圓柱形鍛件，則應(yīng)該考慮使用V型手指，圓球形的工件考慮采用三指狀的手指，方便加持工件。對(duì)于那些表面質(zhì)量要求比較高的工件，應(yīng)該在機(jī)械手的手指上加上泡沫墊片，防止加持部位的損壞。

2 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PLC可編程控制器介紹

機(jī)械手所使用的PLC控制器主要包括了CPU、信號(hào)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、CPU擴(kuò)展單元以及編程模塊。CPU相當(dāng)于PLC的心臟，完成對(duì)輸入信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。對(duì)于輸入和輸出模塊而言，輸入的信號(hào)主要有分為兩個(gè)類別，分別為電壓信號(hào)和電流信號(hào)，如果外在的信號(hào)比較尖銳，則會(huì)造成PLC的CPU損壞。另外為了控制外來(lái)的負(fù)載的額度，可以通過(guò)小型繼電器的使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)外來(lái)負(fù)載的隔離。在PLC中編程器主要是用來(lái)檢測(cè)各種信號(hào)的運(yùn)行狀態(tài)，一般使用編程器的狀況為邏輯輸入有誤或者需要檢修的時(shí)候。本文中的PLC電源使用的是24V直流電源或者220V的交流電源，機(jī)械手的PLC控制器選擇類型為西門子20EDR-1，有兩個(gè)輸入和輸出模塊，在A/D轉(zhuǎn)換方面選擇AD041型號(hào)，所設(shè)計(jì)的PLC框架如圖1所示。

其中PLC的基本參數(shù)如表1所示。

本系統(tǒng)的輸入電流信號(hào)范圍是5-23mA，對(duì)應(yīng)的十六位進(jìn)制為0000-1770。用于補(bǔ)碼的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)范圍是3.2-4mA，當(dāng)輸入電流信號(hào)小于3.2mA時(shí)，斷線檢測(cè)的功能將會(huì)被充分啟用，并且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為8000。首先對(duì)于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換方面，在CPU模塊中不能進(jìn)行量程控制字符的改變，如果需要改變，則必須進(jìn)行斷電后重新操作。

2.2 機(jī)械手位移傳感器的選擇

位移傳感器的選擇對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)具有重要的意義，機(jī)械手臂的升降和旋轉(zhuǎn)都需要位移傳感器的作用，還應(yīng)該把位移數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的顯示在屏幕上，主要目的就是滿足機(jī)械手臂的位移和速度測(cè)定。目前通用的傳感器為光柵位移傳感器，當(dāng)傳感器的兩塊光柵的位置發(fā)生相對(duì)變化時(shí)，光敏電阻發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)傳遞，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，實(shí)現(xiàn)了位移的精確測(cè)量。除了直線位移傳感器外，還需要安裝角位移傳感器，角位移傳感器的類型為E6W5-2014。最后機(jī)械手指在加持工件的過(guò)程中，需要安裝壓力傳感器，其中輸出信號(hào)范圍是5-60mA，電源選擇24V直流電源。在機(jī)械手觸摸屏的選擇方面，要求有兩個(gè)，首先就是要內(nèi)存要大，能夠存儲(chǔ)較多的數(shù)據(jù)，分辨率要大和較高的顯示亮度；其次PLC觸摸屏要有串行通信功能，更好的方便PLC與機(jī)械手臂之間的通信。

3 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與步進(jìn)電機(jī)選擇

3.1 機(jī)械手PLC總控制程序的設(shè)計(jì)

在機(jī)械手臂的下降和上升的程序設(shè)計(jì)中，只是兩者的輸入和輸出的地址不同。在壓力檢測(cè)方面，只有檢測(cè)到鍛件毛坯夾緊以后才可以進(jìn)行下一步的位移動(dòng)作，所以首先應(yīng)該進(jìn)行壓力的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了壓力數(shù)值的顯示。本文還通過(guò)CAE的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的啟停與位移控制，減少PLC控制器的安裝面的位置，可以將啟動(dòng)按鈕與停止按鈕進(jìn)行合并。同時(shí)為了確定機(jī)械手臂是處于手動(dòng)工作模式還是處在連續(xù)工作模式，需要進(jìn)行連續(xù)工作模式按鈕，可以根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)調(diào)整機(jī)械手臂的位置。同時(shí)為了保證機(jī)械手的正常運(yùn)行，機(jī)械手在每一個(gè)工作周期內(nèi)都要進(jìn)行初始位置的檢驗(yàn)，如果不是回到初始位置，則應(yīng)該執(zhí)行回到回轉(zhuǎn)原點(diǎn)的操作。和啟動(dòng)的程序一樣，機(jī)械手臂工作的運(yùn)行方式也是通過(guò)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)的，手動(dòng)按鈕可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動(dòng)作操作，從而滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，只需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，盡量減少機(jī)械手的行程。在經(jīng)過(guò)CAE軟件操作的優(yōu)化的過(guò)程中，可以通過(guò)以下結(jié)果步驟來(lái)進(jìn)行，首先應(yīng)該對(duì)機(jī)械手臂的模型進(jìn)行優(yōu)化，建立相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括各種零件的設(shè)計(jì)以及機(jī)械手自由度的設(shè)計(jì)；其次，對(duì)機(jī)械手的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，測(cè)試模型設(shè)計(jì)是否能夠滿足生產(chǎn)需求；然后細(xì)化設(shè)計(jì)模型，建立設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，得到性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。本文根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要求將機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而繪制PLC控制流程圖，通過(guò)對(duì)梯形圖控制程序的編寫，滿足了實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械手的工位需求。

3.2 步進(jìn)電機(jī)選擇

三相步進(jìn)電機(jī)通常將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰菩盘?hào)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是依靠角度的不斷移動(dòng)而進(jìn)行的。通過(guò)對(duì)電脈沖數(shù)量的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)位移的控制。在步進(jìn)電機(jī)的選擇方面，本文采用的是三菱公司的橫軸和縱軸位移的機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)，最大使用電流為3A。另外PLC啟動(dòng)技術(shù)的控制與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比，具有價(jià)格低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代化的PLC啟動(dòng)技術(shù)可以分為感知系統(tǒng)、控制程序、主機(jī)CPU部分以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)部分。在使用CAE進(jìn)行軟件仿真模擬的過(guò)程中，通過(guò)使用鍛件的抓取機(jī)構(gòu)為實(shí)際性能的優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)次優(yōu)化和坐標(biāo)位置優(yōu)化，使得機(jī)械手臂的抓緊力由3.5MN轉(zhuǎn)變?yōu)?0.56MN。通過(guò)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以有效的模擬機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的抓取行為，實(shí)現(xiàn)夾緊力的不斷提高，具有較大的實(shí)際成產(chǎn)意義。表2位本PLC系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的基本參數(shù)。

四個(gè)自由度的機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)具有一定的普遍性和實(shí)用性，在PLC控制的模式下，實(shí)現(xiàn)鍛件從一個(gè)位置運(yùn)送至另一個(gè)位置，準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)位置定位和完成各項(xiàng)動(dòng)作。在實(shí)際操作的過(guò)程中可以通過(guò)觸摸屏完成各項(xiàng)操作和讀取機(jī)械手實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，包括壓力和位移數(shù)值等信息，方便對(duì)機(jī)械手進(jìn)行很好的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

PLC控制技術(shù)在機(jī)械手設(shè)計(jì)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，從而使得機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在分析參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，借鑒傳統(tǒng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)適用于工廠鍛件搬運(yùn)的機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了CAE模擬仿真和設(shè)計(jì)。首先對(duì)機(jī)械手液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析，得到機(jī)械手控制的三個(gè)關(guān)鍵因素；然后對(duì)適合機(jī)械手的PLC控制器、壓力和位移傳感器進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)參數(shù)選擇，同時(shí)還對(duì)整體程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)闡述，希望能夠給以后的機(jī)械手PLC控制設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值

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