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        基于PLC控制的裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)

        2022-01-22 07:21:50袁云劉煒
        電子測(cè)試 2021年21期
        關(guān)鍵詞:伺服電機(jī)車架指令

        袁云,劉煒

        (江蘇省洪澤中等專業(yè)學(xué)校,江蘇淮安,223100)

        1 基于PLC控制的裝配機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

        通常情況下,機(jī)器人主要由以下三部分組成:控制部分是機(jī)器人的核心組成部分,其主要功能是接收和發(fā)送信號(hào)、協(xié)調(diào)各個(gè)部分功能,控制部分的設(shè)計(jì)直接影響著機(jī)器人的操作精度和靈敏度;傳感部分的主要功能是用于反饋機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)及位置,其運(yùn)行載體是紅外傳感器,在系統(tǒng)運(yùn)行過程中利用多個(gè)紅外傳感器檢測(cè)信息,并將其感受到信息遵循一定的規(guī)律和要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需的電信號(hào)或其他形式信號(hào),從而滿足機(jī)器人系統(tǒng)中信息的存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)化、控制等多方面需求;機(jī)械部分是裝配機(jī)器人實(shí)現(xiàn)抓取、旋轉(zhuǎn)等功能的關(guān)鍵,機(jī)械力學(xué)為機(jī)械部分的設(shè)計(jì)提供了豐富的理論依據(jù)。圖1為本文所提出的基于PLC控制的裝配機(jī)器人總體設(shè)計(jì)。

        圖1 基于PLC控制裝配機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

        其中,以PLC控制器作為裝配機(jī)器人的控制部分,在裝配機(jī)器人運(yùn)行過程中,利用PLC控制器對(duì)伺服電機(jī)下命令,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)、抓取等功能。此外,機(jī)器人還可以利用Wifi模塊連接控制面板,便于工作人員通過觸控面板,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的監(jiān)控、操作和干預(yù)等諸多功能。

        2 基于PLC控制的裝配機(jī)器人中機(jī)械部分設(shè)計(jì)

        2.1 裝配機(jī)器人中抬升部分設(shè)計(jì)

        在抬升部分設(shè)計(jì)過程中,我們使用的材料是電動(dòng)機(jī)(1部)、升降板(1 個(gè))、軸(1 根)、輪槽(4 個(gè))、導(dǎo)軌槽(2 條)、鋼索(2條)等。首先將2個(gè)輪槽利用軸連接的電動(dòng)機(jī)上,當(dāng)電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),就能帶動(dòng)輪槽進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。接著在保持一定間距的基礎(chǔ)上,將另外2個(gè)輪槽安裝到機(jī)體頂部,為升降板與鋼索的連接提供有力支撐。然后,將2條鋼索焊接到升降板的頂部。為了給升降板提供一個(gè)固定運(yùn)動(dòng)的支撐,我們將升降板嵌入到導(dǎo)軌槽中,將電動(dòng)機(jī)兩邊的輪槽連接到鋼索上,依靠物理拉升力抬升車架。

        圖2 裝配機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.2 裝配機(jī)器人中夾取部分設(shè)計(jì)

        在裝配機(jī)器人中夾取部分的設(shè)計(jì)過程中,我們使用的材料是電動(dòng)機(jī)(1 部)、夾子(2 個(gè))、軸(2 根)、齒輪(3 個(gè))。如圖所示。首先,將1個(gè)齒輪安裝在電動(dòng)機(jī)上,并與2根軸相匹配,接著將軸安裝到夾子上,當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),2個(gè)夾子張開饒軸轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),2個(gè)夾子閉合抓住物件。

        圖3 裝配機(jī)器人中夾取部分設(shè)計(jì)

        2.3 裝配機(jī)器人中旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)

        在裝配機(jī)器人旋轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)過程中,我們使用的材料是軸(1根)和電動(dòng)機(jī)(1部)。首先在升降板上鉆一小孔,小孔大小與軸大小保持一致,并將軸穿過小孔,值得注意的是在鉆孔時(shí)要留有一定的間隙以確保軸在穿過小孔后還能進(jìn)行旋轉(zhuǎn);接著將電動(dòng)機(jī)安裝在軸的一端上,并固定在升降板上;然后將機(jī)械爪的后部與軸的一端焊接起來,這樣當(dāng)電動(dòng)機(jī)開始工作時(shí),就能帶動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)軸上的機(jī)械爪也進(jìn)行運(yùn)動(dòng),從而完成了旋轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)。

        3 基于PLC控制的裝配機(jī)器人中控制部分設(shè)計(jì)

        裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng),需要保證裝配精度的前提下,在指定的時(shí)間內(nèi)完成裝配工作,同時(shí),還需要滿足一些特殊的要求,以確??刂葡到y(tǒng)的安全性、通信設(shè)備的可靠性、人工操作的簡(jiǎn)便性。本文所設(shè)計(jì)的基于PLC控制的裝配機(jī)器人,是在傳統(tǒng)機(jī)器人基礎(chǔ)上增添了“翻轉(zhuǎn)”功能,對(duì)于控制系統(tǒng)的處理上,主要采用PLC在伺服電機(jī)上的應(yīng)用,其中,伺服電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行部分。同時(shí),在裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)中增添了紅外傳感模塊,其主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位和監(jiān)控。當(dāng)工作人員利用觸控面板下達(dá)裝配機(jī)器人運(yùn)行指令后,Wifi模塊將指令信號(hào)發(fā)送給PLC控制器,并利用紅外傳感模塊對(duì)伺服機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初始化和實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于在本文設(shè)計(jì)中,我們?cè)谘b配機(jī)器人的機(jī)械爪和機(jī)架上配備了多臺(tái)紅外傳感器,所以,紅外傳感器一旦檢測(cè)的車架進(jìn)入后,就會(huì)發(fā)送信號(hào)給PLC控制器,在經(jīng)過程序梯度圖計(jì)算之后,就會(huì)發(fā)送升起、下降的命令給抬升伺服電機(jī),在接收到指令后,伺服電機(jī)開始正反轉(zhuǎn);紅外傳感器一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)械爪與車架對(duì)齊時(shí),就會(huì)將車架相關(guān)信息反饋給PLC控制器,開啟伸縮伺服電機(jī),按照機(jī)械爪的前進(jìn)或后退指令進(jìn)行操作;發(fā)現(xiàn)機(jī)械爪觸碰到車架時(shí),將車架相關(guān)信息反饋給PLC控制器,開啟抓取伺服電機(jī),按照抓取指令進(jìn)行操作;發(fā)現(xiàn)抓取伺服電機(jī)抓取到車架后,將車架相關(guān)信息反饋給PLC控制器,PLC控制器根據(jù)信號(hào)反饋情況,開啟旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī),根據(jù)旋轉(zhuǎn)指令進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。此外,工作人員利用觸控面板可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配機(jī)器人整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作,一旦發(fā)現(xiàn)問題,就可以直接通過Wifi模塊將停止指令發(fā)送給PLC控制器,若沒有問題,裝配機(jī)器人將會(huì)按照上述過程進(jìn)行循環(huán)操作,從而可以完成一個(gè)流水線生產(chǎn)的自動(dòng)化工作流程。

        3.1 裝配機(jī)器人的自檢過程

        當(dāng)基于PLC控制的裝配機(jī)器人接通220V/380V的電源之后,機(jī)器人的自檢功能自動(dòng)開啟,在這一過程中,紅外傳感器與PLC控制器保持通信狀態(tài),PLC控制器同時(shí)發(fā)送指令給抬升、抓取、伸縮和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)。接著,紅外傳感器將升降板位置信息和機(jī)械爪的初始狀態(tài)反饋給PLC控制器,PLC控制器在經(jīng)過程序梯度圖計(jì)算之后,將相關(guān)信息發(fā)送給伺服電機(jī),當(dāng)伺服電機(jī)接收到PLC控制器發(fā)送的指令后,就自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到指令的坐標(biāo),開始自檢工作,自檢結(jié)束后,等待紅外傳感器對(duì)車架信息的反饋,執(zhí)行相應(yīng)的指令。

        3.2 裝配機(jī)器人的運(yùn)行過程

        當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到車架進(jìn)入工作區(qū)間后,將車架相關(guān)信息反饋給PLC控制去,PLC控制器控制抬升伺服電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn),在此過程中,抬升伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼索運(yùn)行,使得升降板下降,當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到升降板與車架平行時(shí),就會(huì)信息反饋給PLC控制器,PLC控制器發(fā)送指令使得抬升伺服機(jī)停止工作;同時(shí)PLC控制器控制伸縮伺服電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn),在此過程中,伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械爪向前運(yùn)行,當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到機(jī)械爪內(nèi)側(cè)碰撞到車架時(shí),就會(huì)發(fā)送信息給PLC控制器,從而使得伸縮伺服機(jī)停止工作,同時(shí),PLC控制器控制抓取伺服機(jī)正轉(zhuǎn)。

        在本文所設(shè)計(jì)的基于PLC控制的裝配機(jī)器人中,為了避免因?yàn)闄C(jī)械爪對(duì)車架壓力過大而造成的安全隱患,所以,我們?cè)黾恿恕皦毫鞲衅鳌薄@脡毫鞲衅鲗?duì)機(jī)械爪對(duì)車架的壓力進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)壓力值超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)值,傳感器就會(huì)將壓力值信息反饋給PLC控制器,PLC控制器發(fā)送指令使得抓取伺服電機(jī)停止工作,然后接通抬升伺服電機(jī),抬升伺服電機(jī)收到指令后開始反轉(zhuǎn),拉緊鋼索帶動(dòng)升降板開始進(jìn)行上升運(yùn)動(dòng),于是帶動(dòng)車架離開地面。緊接著PLC控制器給旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通電,旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)開始正轉(zhuǎn),同時(shí)開始緩慢的旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度逐漸地從15°變?yōu)?60°,當(dāng)?shù)竭_(dá)360°度時(shí),旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)停止工作;最后,再次接通抬升伺服電機(jī),抬升伺服電機(jī)收到指令后開始正轉(zhuǎn)帶動(dòng)車架運(yùn)動(dòng),將其放回到地面,

        結(jié)束裝配工作后,抓取伺服電機(jī)、伸縮伺服電機(jī)和抬升伺服電機(jī)同時(shí)開始運(yùn)行,但卻以不同的運(yùn)行速度發(fā)回到各自的初始位置,從而結(jié)束了整個(gè)工作流程。

        4 結(jié)束語

        本文提出了基于PLC控制的一種新型翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人,在設(shè)計(jì)中增加多個(gè)紅外線傳感器,當(dāng)傳感器檢測(cè)到車架的相關(guān)信息后,便反饋給PLC控制器,進(jìn)而控制抬升伺服電機(jī)、伸縮伺服電機(jī)、抓取伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)進(jìn)行工作??梢院芎玫貪M足不同車型、不同角度的加工需求,協(xié)助工作人員進(jìn)行裝配、拆卸等工作,通過改變裝配機(jī)器人的軟硬件環(huán)境,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人任意角度的控制,從而能夠有效避免傳統(tǒng)裝配機(jī)器人因鎖鏈吊轉(zhuǎn)車架和地溝作業(yè)等問題而帶來的安全風(fēng)險(xiǎn),同時(shí),工作人員利用觸控面板和Wifi通信模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)地裝配機(jī)器人整個(gè)工作過程的監(jiān)控與管理,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和理論意義。但在本文的設(shè)計(jì)中依然存在幾個(gè)方面需要進(jìn)一步的完善與深入探索:第一,裝配機(jī)器人的機(jī)體雖然采用了鏤空的結(jié)構(gòu),但是整個(gè)機(jī)體卻仍然比較笨重,靈活性和輕便性不夠,還需要進(jìn)一步的優(yōu)化,減輕機(jī)體的重量;第二,在裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)中,對(duì)于各項(xiàng)材料需精心選擇,尤其是對(duì)機(jī)械爪、升降板等材料,由于受到較大的重量,所以既要考慮其堅(jiān)韌度、伸縮性等方面性質(zhì),又要考慮其成本價(jià)格,降低裝配機(jī)器人制造成本,有利于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

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