崔海龍

摘要：自動上下料操作是指在工廠和數(shù)控加工中周期性的給機器和機床上下料。由于此項操作重復性強、危險性高、工作強度大，已經(jīng)不再適合手工操作，于是自動化的機械手取而代之。機械手可以快速準確地長時間作業(yè)，定位精度高，環(huán)境適應(yīng)性很好，尤其是其抓舉運輸可以超過人力很多，便于工業(yè)生產(chǎn)，所以對機械手進行研究并使其應(yīng)用到上下料生產(chǎn)中十分必要。

關(guān)鍵詞：PLC；上下料機械手；設(shè)計

引言

機械手是在工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的自動化設(shè)備，它通過模仿人的手臂，按照設(shè)定的路徑等參數(shù)進行物件的抓取、搬運和其他操作。它主要包括執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分，控制系統(tǒng)一般采用DSP、單片機、PLC等芯片，時時控制各電機運動。驅(qū)動機構(gòu)主要包括各種電機，執(zhí)行機構(gòu)主要是仿生手臂用來進行相關(guān)的操作。由于要進行較為復雜的操作需要多關(guān)節(jié)進行協(xié)同，所以多自由度機械的控制是基礎(chǔ)，一般采用六自由度或四自由度的結(jié)構(gòu)，自由度越多，其靈活性越大、操作范圍越廣。

一、機械手的概述

機械手主要是以人手臂為原型，然后通過編程設(shè)置機械手的固定動作，機械手在施工期間能通過各個零部件間的配合實現(xiàn)抓取、搬運等動作，是一種能進行自動化操作的設(shè)備。早期的機器人多為機械手機器人，關(guān)于機械手的研發(fā)，能讓人從繁重的勞動中解放出來，特別是在生產(chǎn)強度較高的情況下，機械手不但能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，也能在較大程度上讓工作人員的安全得以保障。使用機械手不僅能帶來生產(chǎn)能力的提高，也能讓其應(yīng)用的自動化程度得到發(fā)展，工作期間人員安全得到保障，所以當前機械手在各個領(lǐng)域內(nèi)都能得到切實的應(yīng)用。

根據(jù)當前的狀況能夠獲悉，使用PLC或者繼電器控制，能讓機械手的控制方式得以強化?，F(xiàn)在繼電控制中由于故障率偏大，所以消耗的功率也很大，在控制方式略顯死板的情況下，傳統(tǒng)的繼電器控制方式已經(jīng)被淘汰；目前在只能推行優(yōu)勢化控制，微機控制使用的比較多，這就使整個控制出現(xiàn)抗干擾能力差的局面，后期維修會產(chǎn)生困難，所以采用PLC控制的多為高新技術(shù)或者電子行業(yè)。

目前提及的PLC控制，多是以PLC為依托，將計算機、自動控制和通信技術(shù)三者融為一體。由于自動控制系統(tǒng)之間要相互通用，所以結(jié)構(gòu)就偏于簡單，編程過程也耗時較短，這就能集中體現(xiàn)出PLC的優(yōu)勢，且其優(yōu)勢能保證性能的良好和可靠，同時由于抗干擾能力較強，所以維修期間能做到方便和快捷，在大的背景環(huán)境下，選用機械手操作是最具效果的。

二、基于PLC的上下料機械手設(shè)計

1、機械手PLC總控制程序的設(shè)計

在機械手臂的下降和上升的程序設(shè)計中，只是兩者的輸入和輸出的地址不同。在壓力檢測方面，只有檢測到鍛件毛坯夾緊以后才可以進行下一步的位移動作，所以首先應(yīng)該進行壓力的檢測，實現(xiàn)了壓力數(shù)值的顯示。本文還通過CAE的仿真優(yōu)化設(shè)計，為了進一步實現(xiàn)機械手臂的啟停與位移控制，減少PLC控制器的安裝面的位置，可以將啟動按鈕與停止按鈕進行合并。同時為了確定機械手臂是處于手動工作模式還是處在連續(xù)工作模式，需要進行連續(xù)工作模式按鈕，可以根據(jù)實際的運行情況來調(diào)整機械手臂的位置。同時為了保證機械手的正常運行，機械手在每一個工作周期內(nèi)都要進行初始位置的檢驗，如果不是回到初始位置，則應(yīng)該執(zhí)行回到回轉(zhuǎn)原點的操作。和啟動的程序一樣，機械手臂工作的運行方式也是通過按鈕來實現(xiàn)的，手動按鈕可以實現(xiàn)機械手的各種動作操作，從而滿足實際生產(chǎn)的需求，只需要對步進電機的脈沖時間進行調(diào)整，盡量減少機械手的行程。在經(jīng)過CAE軟件操作的優(yōu)化的過程中，可以通過以下結(jié)果步驟來進行，首先應(yīng)該對機械手臂的模型進行優(yōu)化，建立相應(yīng)的機械傳動機構(gòu)，包括各種零件的設(shè)計以及機械手自由度的設(shè)計；其次，對機械手的模型進行運動仿真模擬，測試模型設(shè)計是否能夠滿足生產(chǎn)需求；然后細化設(shè)計模型，建立設(shè)計變量和目標函數(shù)之間的關(guān)系，得到性能最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。本文根據(jù)機械手的運動要求將機械手的抓取機構(gòu)進行優(yōu)化，從而繪制PLC控制流程圖，通過對梯形圖控制程序的編寫，滿足了實際生產(chǎn)機械手的工位需求。

2、PLC軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)有手動、連續(xù)、單周期、單步和回原點三種工作方式。機械手為初始狀態(tài)時稱為系統(tǒng)處于原點狀態(tài)，在進入手動、連續(xù)、單周期和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點狀態(tài)。機械手從初始狀態(tài)開始，到夾緊工件、接到工件并將其放到指定位置的過程稱為一個工作周期，在自動工作方式下，按下啟動按鈕，機械手反復地工作，但按下停止按鈕機械手并不會立即停止工作，而是完成一個周期的工作后返回并停留在初始步。單步操作常用于系統(tǒng)的調(diào)試，在單步工作方式下，按下啟動按鈕系統(tǒng)只完成一步的動作，再次按下啟動按鈕，系統(tǒng)接著完成下一步動作。對于本系統(tǒng)而言，當接通I0.3時，系統(tǒng)進入單步工作方式，按一下啟動按鈕，上料垂直氣缸下降，再按一下啟動按鈕，手指夾緊工件，如此一步一步的動作。將選擇開關(guān)打到連續(xù)工作方式位置，I0.1為1狀態(tài)，系統(tǒng)進入連續(xù)工作方式。MO.5為原點條件，在初始步為活動步的情況下按下啟動按鈕I0.5，紅外光電開關(guān)檢測是否有料，若有，則I2.3為1狀態(tài)，M2.O變?yōu)?狀態(tài)，上料垂直氣缸下降。同時，控制連續(xù)工作方式的線圈M0.7“通電”并自保持。

3、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 伺服電機選擇

電機選擇方面，本課題選用交流伺服電機，因為隨著電機調(diào)速方法的不斷研究，目前能夠?qū)㈦姍C調(diào)速范圍與成本降低到寬調(diào)速直流電機。同時，交流伺服電機擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應(yīng)用。而直流伺服電機內(nèi)部存在電刷和換向器因素，導致電機工作可靠性降低，提高后期運行成本；交流異步電動機雖然沒有電刷磨損，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但應(yīng)用時對其調(diào)速十分煩瑣，成本相對較高，不經(jīng)濟適用?？紤]到電機后期維護方便，本課題的升降電機與旋轉(zhuǎn)電機都選用交流伺服電機PanasonicMDMA152P1U型號，便于后期保養(yǎng)維修，采用的驅(qū)動器為MDDDT5540型號。

3.2 氣缸和閥門的選擇

本機械手驅(qū)動系統(tǒng)運動速度由氣流調(diào)節(jié)閥控制，運動方向由電磁閥控制。目前，氣體驅(qū)動系統(tǒng)憑借其價格低廉等優(yōu)點在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。同時氣動夾持器由于氣體的可壓縮性，在捕獲過程中具有一定的靈活性，不會由于力度過大導致被抓取物破壞。根據(jù)指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個具有可調(diào)緩沖裝置的雙作用氣缸，并設(shè)有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個一位單通閥門，本設(shè)計為了能夠保證氣缸在斷氣狀態(tài)下保持氣缸內(nèi)部的壓力，所以根據(jù)經(jīng)驗選用SMC公司的VZ110氣開閥。

3.3 傳感器的選擇

傳感器的功能是將被測物的物理量轉(zhuǎn)變成由控制系統(tǒng)可以識別的電信號。實時檢測系統(tǒng)本身以及工作對象、工作環(huán)境的狀況，為控制系統(tǒng)提供有效精準的電信號。本課題研究的機械手，位置檢測裝置主要用來判斷機械手執(zhí)行左旋/右旋，上升/下降等動作時是否到位，通常選擇行程開關(guān)，并將其安裝在預先設(shè)定的位置。本機械手選用直線接觸式行程開關(guān)，當行程開關(guān)檢測到機械手運動到預定位置時，立即終止當前動作，準備運行下一動作。

三、結(jié)語

綜上所述，PLC控制的機械手能夠滿足生產(chǎn)中工序要求，具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，且結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，能夠較好地實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)。

參考文獻：

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