郭永鳳

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710300）

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過(guò)程中，現(xiàn)代工業(yè)也在不斷的發(fā)展，并且在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中也已經(jīng)普及使用了流水生產(chǎn)線。因?yàn)槿斯さ陌b及搬運(yùn)不僅耗時(shí)耗力，而且在環(huán)境較為惡劣的背景下無(wú)法實(shí)現(xiàn)工作，所以傳統(tǒng)工作方式已經(jīng)無(wú)法滿足我國(guó)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，以此就出現(xiàn)了自動(dòng)化的生產(chǎn)模式，并且機(jī)械手也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的各方面中[1]。機(jī)械手能夠?qū)θ耸直鄣哪承﹦?dòng)作功能進(jìn)行模仿，根據(jù)固定的程序抓取物品、搬運(yùn)物品或者實(shí)現(xiàn)操作工具的自動(dòng)化裝置。其能夠代替人在復(fù)雜的環(huán)境在工作，以此有效實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化及機(jī)械化，并且還能夠在特殊情況下保護(hù)人身的安全[2]。PLC可編程控制器是將中央處理器作為核心，其中使用自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等較為先進(jìn)的技術(shù)，其功能較為完善，并且具有較高的可靠性、組合較為靈活、功能消耗較低、編程較為簡(jiǎn)單，其能夠降低人們的勞動(dòng)程度，提高現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，所以是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制中使用最為廣泛的方式[3]?；诖?，本文就實(shí)現(xiàn)了基于PLC控制的變速器搬運(yùn)機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且在最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

1 變速器搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

圖1為變速器搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖1可以看出來(lái)，本文所研究的變速器搬運(yùn)機(jī)械手是使用龍門式架構(gòu)設(shè)計(jì)的，其中具有主裝配線和試驗(yàn)線，并且在龍門橫梁中安裝機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。龍門框架水平方向?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手X軸的安裝，機(jī)械手X軸和Y軸分別都在溜板中安裝了伺服電機(jī)。機(jī)械手底部是夾爪，其能夠通過(guò)變速器實(shí)現(xiàn)夾爪的設(shè)計(jì)，所以就將夾緊氣缸設(shè)置到了夾爪的一邊[4]。因?yàn)樽兯倨髟谠囼?yàn)線和主裝配線中的安裝位置不同，為了能夠使變速器搬運(yùn)機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置的運(yùn)動(dòng)，所以將翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及姿態(tài)調(diào)整設(shè)置在機(jī)械手結(jié)構(gòu)中，以此使變速器能夠變換不同的姿勢(shì)，將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及夾爪相互連接，并且設(shè)置翻轉(zhuǎn)氣缸，使其能夠使夾爪根據(jù)中心線的正反方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而能夠使變速器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)連接夾爪安裝板，并且具備姿態(tài)調(diào)整氣缸，在底部設(shè)備根據(jù)軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，調(diào)整變速器的姿態(tài)。在主裝配線變速器運(yùn)動(dòng)時(shí)，夾爪開(kāi)口要通過(guò)X方向在試驗(yàn)線中安裝變速器，夾爪的靠口要順著Z方向?qū)C(jī)械手底部夾持裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以此對(duì)夾爪的朝向進(jìn)行改變，在豎直立柱中實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)氣缸和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝，通過(guò)機(jī)構(gòu)的相互連接能夠促進(jìn)其中裝置的不同方向旋轉(zhuǎn)，從而改變夾爪的朝向，以此有效滿足機(jī)械手在搬運(yùn)過(guò)程中的需求[5]。

圖1 變速器搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

變速器屬于全自動(dòng)的工作和運(yùn)動(dòng)，在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不需要人工干預(yù)，如果系統(tǒng)無(wú)障礙運(yùn)動(dòng)，主裝配線的變速器就會(huì)向機(jī)械手下發(fā)相應(yīng)的指令使機(jī)械手能夠抓取物體，探后通知主裝配線，機(jī)械手變速器會(huì)到試驗(yàn)線中融入，在此過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)多種工作運(yùn)動(dòng)，如果機(jī)械手到達(dá)試驗(yàn)線上方的時(shí)候就會(huì)通知機(jī)械手能夠?qū)⑾潴w放下，如果沒(méi)有準(zhǔn)備試驗(yàn)線，其就會(huì)等待。在機(jī)械手放箱之后就會(huì)發(fā)送試驗(yàn)線放箱成功消息，然后準(zhǔn)備，進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)中[6]。圖2為搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的順序功能，圖3屬于變速器搬運(yùn)機(jī)手的工作流程。

2 機(jī)械手的設(shè)備型號(hào)選擇

2.1 夾緊機(jī)構(gòu)

機(jī)械手的手爪的主要目的就是抓取箱體，手爪在工作過(guò)程中要滿足精準(zhǔn)、靈活、迅速及可靠的要求。在夾緊機(jī)構(gòu)制造過(guò)程中，要要全面考慮機(jī)械手的坐標(biāo)形式、運(yùn)動(dòng)速度及加速度，夾緊力的大小和箱體的重量、沖擊力及慣性具有密切的聯(lián)系。之后還要全面考慮開(kāi)口的尺寸，要滿足被抓箱體尺寸變化范圍的需求，還要具有多個(gè)抓取機(jī)構(gòu)，從而根據(jù)實(shí)際需求對(duì)手爪進(jìn)行更換。為了避免箱體在抓取過(guò)程中損壞，要對(duì)夾緊力進(jìn)行限制。本文使用二指式手爪進(jìn)行設(shè)置，使用可編程的控制器對(duì)繼電器進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)電磁閥動(dòng)作的控制[7]。

2.2 軀干結(jié)構(gòu)

軀干主要包括手臂和上梁，上臂是對(duì)機(jī)械手的重量進(jìn)行支撐，將小車安裝到上梁中，通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，利用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制，并且還能夠?qū)ψ冾l器的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)小車移動(dòng)的速度及方向控制。手臂是機(jī)械手的主要部分，其能夠支撐工件和手爪的運(yùn)動(dòng)，本文手臂設(shè)計(jì)包括數(shù)軸，能夠?qū)崿F(xiàn)升降的運(yùn)動(dòng)。手臂通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺母和絲杠進(jìn)行升降，通過(guò)PLC發(fā)出的信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行控制[8]。

2.3 電動(dòng)機(jī)

文中使用YS系列異步電動(dòng)機(jī)，功率的不同選擇不同的型號(hào)，此系列的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且運(yùn)行過(guò)程中較為可靠，維護(hù)較為方便。

2.4 變頻器

變頻調(diào)速電氣的傳動(dòng)調(diào)速范圍較大，并且具有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性，較高的運(yùn)行效率，廣泛應(yīng)用到工業(yè)中。變頻器一般都是通過(guò)電力半導(dǎo)體的通斷作用將工頻電源轉(zhuǎn)換成為另外頻率的電能控制裝置。本文使用三菱公司變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、慢轉(zhuǎn)及快轉(zhuǎn)的變化，以此控制機(jī)械手的前進(jìn)、后退、上升及下降控制[9]。

圖2 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的順序功能

3 電控的硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)要能夠更好的實(shí)現(xiàn)控制功能，機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)要求具有連續(xù)控制、單周期控制及手動(dòng)控制等操作，圖4為機(jī)械手控制面板圖。

根據(jù)工件在生產(chǎn)及搬運(yùn)過(guò)程中的特點(diǎn)及需求，機(jī)械手的控制按鈕分布詳見(jiàn)圖3，在按鈕處于原點(diǎn)位置的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)回到右上角的位置等待，在按鈕到連續(xù)位置的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種操作并且循環(huán)工作。在按鈕到達(dá)手動(dòng)的時(shí)候，每個(gè)工序都要根據(jù)步驟按鈕實(shí)現(xiàn)[10]。

1）停止。在機(jī)械手工作過(guò)程中如果出現(xiàn)搬運(yùn)不穩(wěn)、抓取不牢等多種問(wèn)題的時(shí)候，就能夠按下停止按鈕，使所有的運(yùn)動(dòng)都能夠停止，直到將系統(tǒng)重新啟動(dòng)。此按鈕能夠避免出現(xiàn)事故，降低由于事故導(dǎo)致的損失。

2）啟動(dòng)。在系統(tǒng)上電并且機(jī)械手為自動(dòng)模式的時(shí)候就會(huì)按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手根據(jù)指令運(yùn)行[11]。

圖3 變速器搬運(yùn)機(jī)手的工作流程

圖4 機(jī)械手控制面板圖

3）工作模式的選擇。在機(jī)械手正常工作的時(shí)候能夠?qū)⑵湔{(diào)送到連續(xù)模式，機(jī)械手就能夠自動(dòng)的運(yùn)行。如果機(jī)械手在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，其就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并且將機(jī)械手調(diào)到手動(dòng)模式。

4）手動(dòng)控制。通過(guò)按鈕控制機(jī)械手的每個(gè)動(dòng)作。比如，按下下降按鈕，機(jī)械手就會(huì)下降；按下上升按鈕，機(jī)械手就會(huì)上升[12]。

4 系統(tǒng)PLC控制設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)的輸入和輸出

表1為可編程序控制器的輸入點(diǎn)，表2為可編程序控制器的輸出點(diǎn)。

4.2 PLC外部接線圖

圖5為PLC的外部接線示意圖，圖6為基座電機(jī)的接線圖，圖7表示為氣夾電機(jī)的接線圖，圖8為PLC的硬件結(jié)構(gòu)。

4.3 編寫腳本程序

其一，事件命令語(yǔ)言。在瀏覽器中選擇時(shí)間命令語(yǔ)言，之后實(shí)現(xiàn)圖表的新建，然后使“停止按鈕==1”輸入到事件描述中[13]。

表1 控制器的輸入點(diǎn)

表2 控制器的輸出點(diǎn)

之后確認(rèn)編寫事件命令語(yǔ)言。

其二，應(yīng)用程序命令語(yǔ)言。通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序命令語(yǔ)言的選擇，右側(cè)圖標(biāo)雙擊，就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用程序命令語(yǔ)言，在其中對(duì)機(jī)械手控制程序進(jìn)行編寫[14]，輸入以下程序：

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖9為變速器搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)的操作界面，通過(guò)圖9可以看出來(lái)，系統(tǒng)主要包括多個(gè)畫(huà)面，并且還具有X軸和Y軸，能夠便于機(jī)械手在水平及豎直方向移動(dòng)的控制。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行表示，基于PLC控制的變速器搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的目的[15-16]。

圖5 PLC的外部接線圖

圖6 基座電機(jī)接線圖

圖7 氣夾電機(jī)的接線圖

6 結(jié)束語(yǔ)

圖8 PLC的硬件結(jié)構(gòu)

圖9 變速器搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)的操作界面

文中對(duì)基于PLC控制的變速器搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能夠有效滿足各個(gè)環(huán)境的運(yùn)行需求，配合啟動(dòng)及伺服控制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且運(yùn)行過(guò)程中較為靈活，抗干擾能力和通用性較強(qiáng)，而且穩(wěn)定。在生產(chǎn)過(guò)程中使用本文設(shè)計(jì)的變速器搬運(yùn)機(jī)械手能夠有效提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，有效降低產(chǎn)品的出廠成本和人力成本，以此有效提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。