自動化機械臂的結(jié)構(gòu)設計

孫 艷

（忻州職業(yè)技術學院 機電系，忻州 034000）

目前，自動化機械臂在汽車生產(chǎn)行業(yè)獲得了廣泛應用。自動化機械臂具有諸多優(yōu)勢，如可長期進行重復性工作、耗費人力資源較少等。但是，自動化機械臂造價昂貴，在大型企業(yè)中需要多臺相關設備進行工業(yè)化操作，會增加企業(yè)的前期投入。文章通過相關研究設計了一種造價較低和自動化程度較高的機械臂設備，能夠節(jié)省投資成本，提高生產(chǎn)效率，在滿足自動化和規(guī)范化的前提下，極大地提高了生產(chǎn)安全性，具有一定的應用價值[1]。

1 自動化機械臂概述

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

一般來說，機械臂的運動控制管理系統(tǒng)是為了使整個機械臂的運動協(xié)調(diào)更加穩(wěn)定，包括采用高性能的數(shù)控計算機及其相應的控制系統(tǒng)管理硬件和控制軟件。機械臂的運動控制組成部分一般可劃分為4個部分，分別為控制機械臂及其運動感知器、環(huán)境、任務和控制器[2]。機械臂具體尺寸如圖1所示。

機械手臂傳動系統(tǒng)是由多個機械的器械部分組成的傳動裝置。它利用機械感知器的內(nèi)部狀態(tài)感應器，完成控制自然本體與外界環(huán)境條件以及周圍狀況的即時監(jiān)測與自動信號交換。本體環(huán)境狀態(tài)的即動是指控制機械手臂轉(zhuǎn)動時所在區(qū)域內(nèi)的本體環(huán)境[3]。手動任務功能通常泛指轉(zhuǎn)動機械臂時必須手動進行的所有動作。它們需要適當?shù)膽贸绦蛘Z言加以說明，或?qū)⑺苯哟嫒胛⒖刂葡?。微控制器包含微機軟件與自動硬件，相當于機械手的大腦，以自動計算機或機械專用的微控制器來運行受控程序，從而自動完成系統(tǒng)給定的各種任務[4]。

控制系統(tǒng)的主要硬件一般包括3部分，分別為本體感知部分、自動控制處理裝置部分和機械驅(qū)動部分。本體感知部分用于實時收集基于機械臂的內(nèi)部和外部的本體信息，如本體位置、速度、加速度等電傳感器，可實時接受基于機械手的內(nèi)部本體工作狀態(tài)，而其他視覺、觸覺、力覺等物理傳感器可直接感受基于機械手的本體工作周圍環(huán)境的外部本體狀態(tài)。自動控制處理裝置用來控制處理各種控制信息，完成各種控制操作過程，并產(chǎn)生各種控制指令，主要包括控制計算機端和相應的控制接口等。對于機械驅(qū)動部分，為了使移動機械手能夠完成移動操作及具備移動物體功能，機械臂各驅(qū)動關節(jié)部位可分別選用氣動、液動、電氣等驅(qū)動方式驅(qū)動[5]。

1.2 控制系統(tǒng)的性能要求

對于一般的控制系統(tǒng)有如下控制要求，分別為減小穩(wěn)態(tài)檢測誤差、分析過渡設計過程中的性能和軟件穩(wěn)定性。

1.2.1 減小穩(wěn)態(tài)檢測誤差

穩(wěn)態(tài)過渡誤差的定值為當穩(wěn)態(tài)過渡處理過程全部完成后，理論預測的實際穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的預測穩(wěn)態(tài)輸出功率之差?？刂破鞯乃脚c穩(wěn)態(tài)運動偏差越小，說明控制精度越高。因此，穩(wěn)態(tài)運動誤差是直接衡量控制儀器系統(tǒng)主要性能好壞的一項重要指標。設計控制儀器系統(tǒng)性能的首要任務是在完全兼顧其他系統(tǒng)性能指標的情況下，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運動誤差盡可能小或者盡量小于某個指標允許的性能限制值[6]。

1.2.2 分析過渡設計過程中的性能

通常采用過渡均衡性和過渡迅捷性兩種方式綜合評價系統(tǒng)性能。平衡性快速是指當系統(tǒng)從初始均衡狀態(tài)快速運動過渡到最新的均衡運動狀態(tài)時，系統(tǒng)具有較小的超調(diào)和或過渡振蕩特性。其中，速度表征系統(tǒng)適用于過渡狀態(tài)運動過程的快速變化程度[7]。

1.2.3 軟件穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是系統(tǒng)內(nèi)在受到短暫的軸向擾動后，內(nèi)部運動平衡性能從軸向偏離時的平衡點狀態(tài)恢復，并達到原來的平衡點穩(wěn)定狀態(tài)的重要能力。穩(wěn)定性要求一般是工業(yè)自動控制領域必須滿足的基本技術要求。如何深入研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是工業(yè)自動化過程控制管理系統(tǒng)設計的一個基本技術問題。

2 傳感器

2.1 位置檢測裝置

當自動機械手需要執(zhí)行左旋/右旋、前縮后伸/伸或回縮、上升/上或下降等動作時，應有相應的自動檢測器可以檢測各個動作位置是否準確到位，如常用的動作位置自動檢測檢查裝置內(nèi)部是否有行程開關。系統(tǒng)設計主要采用一臺直線接觸式運動行程開關機來檢測機械手開關動作精度是否完全到位，當機械手運動到指定開關位置時，若碰到行程開關，則終結(jié)執(zhí)行上一個開關動作，準備開始執(zhí)行下一個開關動作。

2.2 滑覺傳感器

硬盤軟鍵盤轉(zhuǎn)動吸取主要通過轉(zhuǎn)動吸盤最小零度吸力系數(shù)值來轉(zhuǎn)動吸取其他物體，可有效保證吸盤工作時的可靠性。吸取軟物體時，若吸力不夠，則被動受吸取物的整個身體可能會受到滑動重力產(chǎn)生的反重力進行滑動。滑覺中的吸力滑動傳感器是為了能夠用來檢測物體重力滑動而設計的，便于檢測達到物體滑動方向修正后的滑動吸力，防止與被動受吸取物的身體產(chǎn)生重力滑動。

2.3 視覺傳感器

機械臂顏色視覺的主要作用是在很大程度上模仿普通人的眼睛，對不同的顏色物體分別顏色識別。目前，用于燈光顏色信息識別的燈光傳感器主要有兩種基本應用類型。一是單色標燈光傳感器。它可以使用色標白熾燈泡的光源或單色標的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）熾燈光源。二是RGB（紅綠藍）3種顏色的光傳感器。它可以檢測一個物體對3種基色的光線反射率和比率，從而鑒別一個物體上的顏色。這類密封裝置大多是反射型、光束型、光纖型，封閉安裝在各種磁性金屬和其他聚碳酸脂材料外殼中。

3 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的基本設計原則是在符合生產(chǎn)功能安全要求、保證質(zhì)量安全和維修簡單的基本前提下，力求獲得最佳的生產(chǎn)性能值和價格相對比。選型時，設計人員主要綜合考慮以下幾個要點。

3.1 必須具備相應的應用功能以及配置條件要求

通常，中小型（低檔）PLC設備均能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯計算、定時器以及計數(shù)等功能。本系列溫控系統(tǒng)按實際需要使用戶可以自動選擇溫控開關的容量大小，因此選用一般小容量型號的開關元件即可。

3.2 必須具備系統(tǒng)響應速度快的要求

PLC控制系統(tǒng)是為應用于制造業(yè)流程自動化等領域而設計的一種通用自動控制器。人們需要慎重考慮使用PLC的中斷速度，可以考慮使用同時具備高速中斷與零處理模塊功能的中低速PLC，或者可選用同時具有快速中斷響應處理模塊和快速中斷信號輸入處理模塊的高速PLC等。

3.3 制定合理的結(jié)構(gòu)形式

PLC系統(tǒng)主要有總體式和模組式兩種結(jié)構(gòu)形式?？傮w式PLC的平均價格比模組式便宜，且體積相對較小，通常應用于工藝流程相對穩(wěn)定的小型系統(tǒng)?？紤]到此系統(tǒng)控制方式比較簡單，可適用于小批量生產(chǎn)線，因此選用總體式PLC比較理想。

3.4 制定合理的安裝操作管理方式

PLC的遠程安裝操作系統(tǒng)方式一般可分為遠程配置集中式、遠程輸入/輸出（Input/Output，I/O）方式和由多臺多個人的PLC控制裝置在互聯(lián)網(wǎng)上的遠程配置分布式。集中式系統(tǒng)無須再為所需要放入設備額外安裝或設置任何遠程驅(qū)動器以及遠程I/O硬件，因此系統(tǒng)設計工作簡單、反應快速及成本低。在走向工廠化的大型小批量遠程調(diào)試系統(tǒng)生產(chǎn)中，如何有效降低遠程調(diào)試器的成本顯得尤為重要。因此，對于此操作系統(tǒng)，用戶選擇的方式是基于集中式遠程調(diào)試的安裝操作系統(tǒng)方式。

4 結(jié)語

隨著機械臂技術的不斷發(fā)展，該機械裝置不僅可直接替代他人從事危險、有害、有毒、低溫和嚴寒高熱等惡劣工作環(huán)境，也可代替他人自動完成繁重、單調(diào)的重復勞動，有利于提高工業(yè)勞動生產(chǎn)率，保證工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量。隨著工業(yè)科學分揀技術的不斷發(fā)展和PLC在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和全過程管理中的廣泛應用，機械臂不僅可以廣泛應用于工業(yè)物料自動分揀，而且可以廣泛應用于工業(yè)垃圾焚燒對固體垃圾自動分揀等。

機械臂的動力控制傳動系統(tǒng)主要采用一種技術性和可靠性都較高的PLC來實現(xiàn)自動控制。該機械設備具有更加靈活、動作準確、易于安裝維護等特點，顯著提高了勞動生產(chǎn)率，能夠做到各種生產(chǎn)操作管理方式自由切換，滿足了各種類型生產(chǎn)線的要求。