基于PLC的上下料機械手設(shè)計探析

劉歷 杜勇

摘 要：近年來，隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展和用人成本的增加，礦山生產(chǎn)中的上下料正向機械化、自動化轉(zhuǎn)型。機械手精度高、動作迅速、可長時間作業(yè)的特征被礦山企業(yè)應(yīng)用到上下料的生產(chǎn)中，提高了生產(chǎn)效率。本文討論了上下料機械手的設(shè)計方案，確定了基于PLC控制的機械手的關(guān)鍵參數(shù)，在明確控制方案的前提下，設(shè)計了機械手控制系統(tǒng)的硬件和軟件，為PLC控制機械手在上下料生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：機械手；PLC；ADAMS；上下料；自動化

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(fù)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。

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(fù)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(zhǔn)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。

1總體設(shè)計

機械手的設(shè)計方案如圖1所示，該方案主要由HMI、PLC、驅(qū)動系統(tǒng)及機械手本體四個部分組成。

1.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

機械手的機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要確定機械手自由度、行程和速度參數(shù)，電機選型和各軸的轉(zhuǎn)動方式。

之所以為機械手添加6自由度，是為了保證機械手可以抵達(dá)任意位置，其中位置自由度3個，姿態(tài)自由度3個。通過簡化分析，滿足基本的上下料操作，機械手設(shè)計包括4軸4自由度，分別是X軸、Y軸、Z軸和RZ軸。機械手的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。機械手沿X軸進行水平方向的左右移動；沿Y軸進行水平方向的前后移動；沿Z后軸進行豎直方向移動；沿RZ軸可繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

機械手的運動需要電機進行驅(qū)動，它的主要動作特性與電機參數(shù)息息相關(guān)，所以對于電機的選型是必要的。一般而言，電氣式機械手常用的電機類型有伺服電機和步進電機。為使機械手能夠快速移動，要求軸電機的額定轉(zhuǎn)速要高、額定輸出轉(zhuǎn)矩還應(yīng)較大。因此，X、Y、Z軸常選用伺服電機。但是對于RZ軸，由于其負(fù)載較小，精度要求較高，所以可以選擇簡單實用的步進電機。

電機驅(qū)動的傳動方式有多種，常見的機械手傳動方式包括同步帶傳動、滾珠絲桿傳動和齒輪齒條傳動。其中同步帶傳動是應(yīng)用較多，其簡單易用，保養(yǎng)方便；滾珠絲桿傳動由于精度高、噪音低，常用于高精度的傳動場合；齒輪齒條傳動的特點是動力足、壽命長，但是噪音較大。綜合以上多種傳動方式，從精度要求和成本考慮，本文設(shè)計的機械手的X軸和Y軸采用同步帶傳動，Z軸采用齒輪齒條傳動。

1.2控制系統(tǒng)設(shè)計方案

機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計方案如圖3所示，HMI與PLC進行數(shù)據(jù)交換，向PLC傳送數(shù)據(jù)和運動控制命令的同時接收傳回的數(shù)據(jù)，并進行時時顯示。

2機械手關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

綜合評價機械手的行動能力將以最大速度、負(fù)載能力、位置偏差閾值等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，這就需要確定電機的額定轉(zhuǎn)速、電機的額定轉(zhuǎn)矩、減速器的減速比、同步帶輪節(jié)徑等。由于機械手X軸的受力最為復(fù)雜，現(xiàn)以X軸為例來詳細(xì)分析關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定過程，隨后可用相同的方法確定其他軸的參數(shù)。

首先根據(jù)經(jīng)驗選擇一個伺服電機，經(jīng)計算滿足設(shè)計要求后，進行下一處電機的確定。首先畫出X軸的示意圖，如圖4所示。通過分析，可以計算出X軸負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量JL，X軸最大移動速度Vmax，機械手加速過程中電機的最大輸出扭矩Tmax等參數(shù)。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括X軸、Y軸、Z軸伺服驅(qū)動器的選擇、RZ軸步進驅(qū)動器的選擇、PLC及擴展單元的選擇等硬件的設(shè)計，由于篇幅所限，只以PLC的選擇為例進行說明。

PLC是可編程邏輯控制器，通過數(shù)字或模擬輸入輸出控制整個機械生產(chǎn)過程。上下料機械手需要控制3個伺服電機和1個步進電機，所以PLC選型時應(yīng)具有4路高速脈沖輸出功能。

本例選擇CP1H-Y20DT-D型PLC作為機械手的控制器。根據(jù)控制要求給各個控制對象分配IO地址，這樣便于PLC尋址和精確控制被控對象。由于各個軸上具有光電開關(guān)、減速器等裝置，需要對其進行IO地址的分配。當(dāng)上下料開始時，PLC輸出數(shù)字信號令錠床開始加工，當(dāng)銳床加工結(jié)束后，PLC收到信號，繼而進行下料操作。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

PLC的高速計數(shù)器功能和串口通訊功能都將被實用，所以應(yīng)先編程設(shè)置PLC，如圖5所示。

在設(shè)置完P(guān)LC具體參數(shù)后，需要明確機械手的上下料過程即取料、上料及下料階段，通過圖6表示機械手上下料全過程。

機械手先從原點P0向P1點運動，當(dāng)?shù)竭_(dá)P1點后機械手松開，向下運動到P2點，夾爪閉合抓取工件后回到P1點；機械手夾持著工件向P3點運動，在P3點向下運動至P4上料，然后機械手運動到P3點，再運動到P5點，機械手給銑床上料完成；當(dāng)加工完成后，機械手經(jīng)過P6-P7-P6-P8等點的操作后，完成下料，并將工件放置在傳送帶上，最后其運動回P0點循環(huán)進行下一輪操作。

控制程序方案包括回原點、示教、軌跡規(guī)劃和軌跡執(zhí)行四個部分；回原點操作意在令機械手上電后或者上下料結(jié)束后回到其坐標(biāo)原點；示教是示教出空間上的坐標(biāo)點，并存儲到PLC的內(nèi)存區(qū)；軌跡規(guī)劃是指定軌跡上的點與示教庫中點的關(guān)系，通過軟件實現(xiàn)軌跡與示教庫信息的吻合，保證運動精度；軌跡執(zhí)行部分用來設(shè)置運動時的軌跡的編號、減速比、時間量等參數(shù)。

5結(jié)論

本文設(shè)計了基于PLC控制的機械手，確定了機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，分析了機械手三個軸的關(guān)鍵參數(shù)，明確了機械手控制系統(tǒng)硬件部分的元器件選型，提出了上下料過程中的控制程序基本思路，明確了回原點、示教、軌跡規(guī)劃以及軌跡執(zhí)行等程序方案。相信隨著自動化領(lǐng)域的不斷進步，基于PLC控制的機械手將會在精確度等方面實現(xiàn)新的突破，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工廠的上下料生產(chǎn)中，逐漸代替人工操作。

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