自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李金斗

(齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

1 機(jī)械手整體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 機(jī)械手三維視圖

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手屬于典型的直角機(jī)械手。主要組件是支架、電機(jī)、吸盤、Y方向上的移動(dòng)壁和Z方向上的吊臂。圖1是操縱器的三維視圖。與這個(gè)數(shù)字結(jié)合起來并不難發(fā)現(xiàn)。要沿Y方向移動(dòng)，需要依靠導(dǎo)軌系統(tǒng)。雙面龍門架和兩側(cè)帶有導(dǎo)軌的機(jī)架構(gòu)成了機(jī)械手的基礎(chǔ)。機(jī)械手通過滑塊固定。機(jī)械手的Y方向移動(dòng)臂由齒輪、減速器和齒輪固定。伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使齒條機(jī)構(gòu)在滑塊上移動(dòng)，并完成Y方向上的前進(jìn)/后退運(yùn)動(dòng)，因此，精確控制伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)Y方向上的精確運(yùn)動(dòng)和定位。

1.2 氣缸的選型

整個(gè)機(jī)械手裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)非常重要，首先，液壓缸是氣動(dòng)控制回路系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，本文的設(shè)計(jì)使用了直線運(yùn)動(dòng)液壓缸。 根據(jù)碼垛產(chǎn)品的平均尺寸和重量，鋼瓶參數(shù)計(jì)算如下：使用的氣缸類型為SC32X25，氣缸直徑75mm，最大行程300mm。

1.3 具體設(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)主要包括氣缸選擇，氣動(dòng)元件選擇，電氣元件選擇和吸盤末端力計(jì)算。具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下：油缸選擇，直線運(yùn)動(dòng)油缸，碼垛產(chǎn)品的平均重量和尺寸，當(dāng)使用SC32X25型油缸時(shí)，該油缸的最大行程為300mm，內(nèi)徑為它是75mm。氣動(dòng)元件的選擇使用無油靜音空氣壓縮機(jī)，4V330-10電磁方向控制閥和ZP吸盤作為空氣壓縮機(jī)，這3個(gè)品牌分別是PANDA、德力西和SMIC。電氣元件的選擇包括80O AEAO7530-SC3型伺服電動(dòng)機(jī)，YZ-ACSD608型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和PLX型電動(dòng)機(jī)減速器，品牌為時(shí)代超群、Freud和MOVING。結(jié)合圖1可以很容易地計(jì)算出機(jī)械手的末端力，即機(jī)械手的末端執(zhí)行器的機(jī)械臂需要跟隨該機(jī)械手。因此，需要一個(gè)公式來計(jì)算吸盤的直徑。公式C，t和n分別是堆疊重量和安全系數(shù)。抽油桿的數(shù)量，R是抽油桿的直徑。由于平均負(fù)載重量為2000N，一個(gè)吸盤的直徑為160mm，因此水平吸盤下的吸盤真空度為39808.9MPa。對(duì)于某些設(shè)計(jì)，應(yīng)使用最大真空的40%～60%之間，以確保抽油機(jī)的涂層質(zhì)量。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制系統(tǒng)具有手動(dòng)、單循環(huán)、單步、循環(huán)等工作模式。控制要求如下：按下復(fù)位按鈕，將其返回到其原始位置(機(jī)械手處于上下限)。單步表示每次按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，機(jī)械手執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作。一個(gè)周期是一個(gè)動(dòng)作周期的執(zhí)行，最終返回其初始位置。循環(huán)表示操縱器重復(fù)執(zhí)行操作，直到按下復(fù)位或停止按鈕。機(jī)械手的控制/操作電路由PLC程序?qū)崿F(xiàn)，分為自動(dòng)程序和手動(dòng)程序，該自動(dòng)程序包括一個(gè)步驟，一個(gè)周期和一個(gè)周期性的工作程序。本手冊(cè)主要用于硬件調(diào)試。如果在梯形圖中使用跳轉(zhuǎn)指令，則自動(dòng)程序和手動(dòng)程序?qū)⒉粫?huì)同時(shí)執(zhí)行。根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)律，下一步的工作條件是基于上一步已完成的假設(shè)，因此采用了順序功能圖的設(shè)計(jì)方法。機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)控制程序的順序功能。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件配置包括主控制器PLC和外部輸出設(shè)備。主控制器使用三菱PLC，它包括電源、存儲(chǔ)器和通信端口。輸入設(shè)備包括傳感器、控制按鈕、控制面板和觸摸屏，輸出設(shè)備主要包括逆變器、電磁閥、負(fù)載和繼電器。

2.2 主控電機(jī)電路設(shè)計(jì)

采用西門子公司生產(chǎn)的S7-200CN 40點(diǎn)PLC，其自動(dòng)循環(huán)操作完成時(shí)間8s、手動(dòng)操作完成時(shí)間為12s，采用FR-E540-25K-CHT型變頻器，并采用標(biāo)準(zhǔn)配置USB編程。使用VFD-E型RS-485通信擴(kuò)展板來滿足通信需求。當(dāng)棍道上有產(chǎn)品傳送時(shí)，可以使用高速模式，快速將待檢產(chǎn)品傳送到工位，當(dāng)玻產(chǎn)品定位的時(shí)候使用中速模式，方便傳感器定位。當(dāng)輾道上產(chǎn)品取完時(shí)，使用低速模式，減少輾道機(jī)械磨損的同時(shí)延長設(shè)備使用壽命。

2.3 PLC編程

機(jī)械手控制系統(tǒng)具有2種主要控制模式。手動(dòng)開關(guān)控制和觸摸屏控制。主控制器上Mitsubishi PLC的IO端口用作輸入和輸出，以控制整個(gè)機(jī)械手的操作。對(duì)于手動(dòng)控制，需要8個(gè)開關(guān)來控制X、Y和Z方向上的輸出伺服電動(dòng)機(jī)，并且終端輸出會(huì)夾緊電磁換向閥，這對(duì)于手動(dòng)調(diào)試和維護(hù)很有用。在觸摸屏控制模式下，有單循環(huán)和自動(dòng)循環(huán)。單擊觸摸屏上的軟開關(guān)，將命令發(fā)送到觸摸屏上的輔助繼電器M，以控制輸出線圈的變化。其中，M1是單周期和自動(dòng)周期選擇命令，M2是復(fù)位命令，M3是啟動(dòng)命令，MO是備用命令。

2.4 伺服電機(jī)控制模型

機(jī)械手控制系統(tǒng)分為發(fā)送模塊和處理模塊。皮帶輪傳動(dòng)和操縱機(jī)械手在X、Y和Z方向上的運(yùn)動(dòng)主要由伺服電機(jī)控制。機(jī)械手可以完成多個(gè)過程，例如向左移動(dòng)，向右移動(dòng)、向前、向后、向上、向下、夾緊和松開。因此，伺服電動(dòng)機(jī)控制的研究對(duì)于機(jī)械手的移動(dòng)位置和速度非常重要。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)的機(jī)械手是一種直角坐標(biāo)式的機(jī)械手，可以幫助我們執(zhí)行裝置伺服電機(jī)以及氣缸。結(jié)合現(xiàn)有的多自由度坐標(biāo)系統(tǒng)機(jī)器人，可以設(shè)計(jì)新型的碼垛和裝卸機(jī)械手，為企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。在實(shí)際的制造測(cè)試中，使用PLC技術(shù)和伺服控制技術(shù)來控制碼垛和裝卸機(jī)械手，以便可以牢牢地抓住它們并將其穩(wěn)定地放置在檢查柜的每一層上，并最終快速地完成。說明實(shí)現(xiàn)了有效的生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)要求。由定序器設(shè)計(jì)的機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)電路簡單，可靠性高，功能強(qiáng)大，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，準(zhǔn)確地運(yùn)行。同時(shí)，可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。結(jié)合自動(dòng)化機(jī)床，可以構(gòu)建自動(dòng)化生產(chǎn)線。