云立恒，盧燕

（濟南玖源機電科技有限公司，山東 濟南 250308）

0 引言

在當今時代，機械手發(fā)展迅猛，尤其歐美、日本、瑞典等國家，其研發(fā)和制造水平處于世界領(lǐng)先地位。它可以與零件、負載一起工作，特別是在CNC 自動化設(shè)備和機械裝配模塊設(shè)備。目前，機械手開發(fā)了FMS 和FMC 中的大多數(shù)動作[1]。機械手由于結(jié)構(gòu)小，柔性強，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。我國機械技術(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，加大對機械手的自主研發(fā)，滿足各行各業(yè)的生產(chǎn)需求，同時降低成本成為工業(yè)機械手發(fā)展的重要前提[3]。本文基于PLC 的上下料機械手手臂設(shè)計旨在提高裝卸機械手代替人工操作的效率和利用率。

1 基于PLC 的上下料機械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機械手運動模式

機械手的動作要求包括以下幾個方面：

（1）傳動平穩(wěn)，定位精度高；

（2）能夠快速動作、準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)，平放高度與磨邊機相適應(yīng)，平移行程為1100mm，翻轉(zhuǎn)半徑為1000mm。

如圖1 所示機械手布局測量工作，根據(jù)實際性能要求，機械手在作業(yè)上采取三種類型的運動：手臂運動、抓取運動、旋轉(zhuǎn)運動。因此自由度數(shù)可達3，適用性廣。圓柱對位結(jié)構(gòu)機械手，其結(jié)構(gòu)簡單，工作極限大，精度高，能滿足設(shè)計要求。

圖1 機械手布局

1.2 機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的上下料機械手使用PLC 作為主控制器，通過傳感器檢測，實時控制機械手執(zhí)行機構(gòu)、平移機構(gòu)和其他機構(gòu)之間的協(xié)調(diào)運作。設(shè)計的自動上下料機械手流水線有手動操作和自動操作兩種模式[4]。

結(jié)合具體工況，本設(shè)計采用連桿型夾鉗。驅(qū)動活塞驅(qū)動活塞桿端齒條、中心齒輪和扇形齒輪重復(fù)運動，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)計是針對工件寬度設(shè)計的50mm。手爪的具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 手爪結(jié)構(gòu)圖

1.3 機械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計

腰部旋轉(zhuǎn)的兩個主要驅(qū)動形式：一種是通過減速方式驅(qū)動來實現(xiàn)，另一種是通過液壓缸或液壓馬達擺動來實現(xiàn)。該設(shè)計不采用直連驅(qū)動，而是使用減速機構(gòu)，同時增加扭矩。由于傳動裝置的機構(gòu)改變，傳動精度將受到影響，僅影響主傳動回轉(zhuǎn)精度和高速性能（100rpm 及以上）。因此，為了降低變速誤差，使用高強度高硬度的材料進行高精度加工。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 機械手機械傳動機構(gòu)設(shè)計

機械臂選用液壓缸作為機械臂，既是一體式結(jié)構(gòu)，又是動力單元。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)桿機構(gòu)的設(shè)計中，兩個附加導(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械手的剛性和耐用性，徹底解決結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性問題[5]。

1.5 手臂平衡機構(gòu)設(shè)計

機械手采用柱式結(jié)構(gòu)。機械手主要關(guān)注機械手結(jié)構(gòu)、載荷以及整個機械手的外觀。通過對設(shè)計結(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)果與實際功能不滿意，可以增加彈簧平衡。

2 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 作業(yè)流程

機械手工作流程如圖4 所示。

圖4 機械手工作流程圖

從原點按開始鍵，水平液壓缸前進開始伺服定位。機械手同時降低，夾爪打開。降低后，接觸驅(qū)動下限位，停止降低。在夾爪夾緊工件后，機械手開始上升。上升到指定位置后，PLC 開始產(chǎn)生高速脈沖，逆時針旋轉(zhuǎn)機械手。當旋轉(zhuǎn)90°時，PLC 釋放脈沖，機械手停止旋轉(zhuǎn)。機械手下降，下降后，接觸下限位開關(guān)，下降停止，機械手將達到卡盤的中心高度。機械手開始水平定位，移動，在機床的卡盤上加載工件，工件放置在規(guī)定位置，卡盤就會收縮，機械手釋放夾爪。然后，機械手上升，到達在規(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，順時針旋轉(zhuǎn)機械手，旋轉(zhuǎn)90°后，PLC 釋放脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動。機械手返回原點，開始準備下一個工作周期。

2.2 控制器配置選型

PLC 本體集成有14 個DI 與10 個DO 總共24個數(shù)字量I/O點，含有16K 字節(jié)的程序和數(shù)據(jù)存儲，可擴展7 個擴展模塊最多擴展168 個數(shù)字I/O 點或35 個模擬I/O 點。六個獨立的30kHz 高速計數(shù)器，兩個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I/O 端子塊可以輕松拆卸。

2.3 PLC 外部接線設(shè)計

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。輸入輸出點及其接線如圖5 所示。

圖5 PLC 外部接線圖

2.4 機械手控制程序梯形圖

機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)、自動子程序SBR-0、手動子程序SBR-1、電機控制系統(tǒng)步進器SBR_2、步進控制系統(tǒng)步進器SBR_3、干涉機械手INT_0。

圖6 主程序MAIN 梯形圖

2.5 軟件設(shè)計

機械手控制主程序流程圖，如圖7 所示。

圖7 機械手控制主程序流程圖

3 結(jié)論

本文根據(jù)實際加工生產(chǎn)線的需求，研發(fā)了一種自動上下料機械手，完成了機械手機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。該機械手結(jié)構(gòu)簡單、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)場應(yīng)用要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自主完成上料、定位、下料等功能。