基于PLC的上下料机械手设计探析

崔海龙

摘要：自动上下料操作是指在工厂和数控加工中周期性的给机器和机床上下料。由于此项操作重复性强、危险性高、工作强度大，已经不再适合手工操作，于是自动化的机械手取而代之。机械手可以快速准确地长时间作业，定位精度高，环境适应性很好，尤其是其抓举运输可以超过人力很多，便于工业生产，所以对机械手进行研究并使其应用到上下料生产中十分必要。

关键词：PLC；上下料机械手；设计

引言

机械手是在工业生产中较为常见的自动化设备，它通过模仿人的手臂，按照设定的路径等参数进行物件的抓取、搬运和其他操作。它主要包括执行机构、驱动机构和控制系统三大部分，控制系统一般采用DSP、单片机、PLC等芯片，时时控制各电机运动。驱动机构主要包括各种电机，执行机构主要是仿生手臂用来进行相关的操作。由于要进行较为复杂的操作需要多关节进行协同，所以多自由度机械的控制是基础，一般采用六自由度或四自由度的结构，自由度越多，其灵活性越大、操作范围越广。

一、机械手的概述

机械手主要是以人手臂为原型，然后通过编程设置机械手的固定动作，机械手在施工期间能通过各个零部件间的配合实现抓取、搬运等动作，是一种能进行自动化操作的设备。早期的机器人多为机械手机器人，关于机械手的研发，能让人从繁重的劳动中解放出来，特别是在生产强度较高的情况下，机械手不但能实现自动化生产，也能在较大程度上让工作人员的安全得以保障。使用机械手不仅能带来生产能力的提高，也能让其应用的自动化程度得到发展，工作期间人员安全得到保障，所以当前机械手在各个领域内都能得到切实的应用。

根据当前的状况能够获悉，使用PLC或者继电器控制，能让机械手的控制方式得以强化。现在继电控制中由于故障率偏大，所以消耗的功率也很大，在控制方式略显死板的情况下，传统的继电器控制方式已经被淘汰；目前在只能推行优势化控制，微机控制使用的比较多，这就使整个控制出现抗干扰能力差的局面，后期维修会产生困难，所以采用PLC控制的多为高新技术或者电子行业。

目前提及的PLC控制，多是以PLC为依托，将计算机、自动控制和通信技术三者融为一体。由于自动控制系统之间要相互通用，所以结构就偏于简单，编程过程也耗时较短，这就能集中体现出PLC的优势，且其优势能保证性能的良好和可靠，同时由于抗干扰能力较强，所以维修期间能做到方便和快捷，在大的背景环境下，选用机械手操作是最具效果的。

二、基于PLC的上下料機械手设计

1、机械手PLC总控制程序的设计

在机械手臂的下降和上升的程序设计中，只是两者的输入和输出的地址不同。在压力检测方面，只有检测到锻件毛坯夹紧以后才可以进行下一步的位移动作，所以首先应该进行压力的检测，实现了压力数值的显示。本文还通过CAE的仿真优化设计，为了进一步实现机械手臂的启停与位移控制，减少PLC控制器的安装面的位置，可以将启动按钮与停止按钮进行合并。同时为了确定机械手臂是处于手动工作模式还是处在连续工作模式，需要进行连续工作模式按钮，可以根据实际的运行情况来调整机械手臂的位置。同时为了保证机械手的正常运行，机械手在每一个工作周期内都要进行初始位置的检验，如果不是回到初始位置，则应该执行回到回转原点的操作。和启动的程序一样，机械手臂工作的运行方式也是通过按钮来实现的，手动按钮可以实现机械手的各种动作操作，从而满足实际生产的需求，只需要对步进电机的脉冲时间进行调整，尽量减少机械手的行程。在经过CAE软件操作的优化的过程中，可以通过以下结果步骤来进行，首先应该对机械手臂的模型进行优化，建立相应的机械传动机构，包括各种零件的设计以及机械手自由度的设计；其次，对机械手的模型进行运动仿真模拟，测试模型设计是否能够满足生产需求；然后细化设计模型，建立设计变量和目标函数之间的关系，得到性能最优的设计参数。本文根據机械手的运动要求将机械手的抓取机构进行优化，从而绘制PLC控制流程图，通过对梯形图控制程序的编写，满足了实际生产机械手的工位需求。

2、PLC软件设计

系统设有手动、连续、单周期、单步和回原点三种工作方式。机械手为初始状态时称为系统处于原点状态，在进入手动、连续、单周期和单步工作方式之前，系统应处于原点状态。机械手从初始状态开始，到夹紧工件、接到工件并将其放到指定位置的过程称为一个工作周期，在自动工作方式下，按下启动按钮，机械手反复地工作，但按下停止按钮机械手并不会立即停止工作，而是完成一个周期的工作后返回并停留在初始步。单步操作常用于系统的调试，在单步工作方式下，按下启动按钮系统只完成一步的动作，再次按下启动按钮，系统接着完成下一步动作。对于本系统而言，当接通I0.3时，系统进入单步工作方式，按一下启动按钮，上料垂直气缸下降，再按一下启动按钮，手指夹紧工件，如此一步一步的动作。将选择开关打到连续工作方式位置，I0.1为1状态，系统进入连续工作方式。MO.5为原点条件，在初始步为活动步的情况下按下启动按钮I0.5，红外光电开关检测是否有料，若有，则I2.3为1状态，M2.O变为1状态，上料垂直气缸下降。同时，控制连续工作方式的线圈M0.7“通电”并自保持。

3、硬件结构设计

3.1 伺服电机选择

电机选择方面，本课题选用交流伺服电机，因为随着电机调速方法的不断研究，目前能够将电机调速范围与成本降低到宽调速直流电机。同时，交流伺服电机拥有较高的可靠性和控制性，因此目前能够得到广泛应用。而直流伺服电机内部存在电刷和换向器因素，导致电机工作可靠性降低，提高后期运行成本；交流异步电动机虽然没有电刷磨损，结构简单，成本较低，但应用时对其调速十分烦琐，成本相对较高，不经济适用。考虑到电机后期维护方便，本课题的升降电机与旋转电机都选用交流伺服电机PanasonicMDMA152P1U型号，便于后期保养维修，采用的驱动器为MDDDT5540型号。

3.2 气缸和阀门的选择

本机械手驱动系统运动速度由气流调节阀控制，运动方向由电磁阀控制。目前，气体驱动系统凭借其价格低廉等优点在工业中得到广泛应用。同时气动夹持器由于气体的可压缩性，在捕获过程中具有一定的灵活性，不会由于力度过大导致被抓取物破坏。根据指尖距离及手爪夹紧力，夹紧装置选择一个具有可调缓冲装置的双作用气缸，并设有夹紧装置和压力传感器。气缸本身配有两个一位单通阀门，本设计为了能够保证气缸在断气状态下保持气缸内部的压力，所以根据经验选用SMC公司的VZ110气开阀。

3.3 传感器的选择

传感器的功能是将被测物的物理量转变成由控制系统可以识别的电信号。实时检测系统本身以及工作对象、工作环境的状况，为控制系统提供有效精准的电信号。本课题研究的机械手，位置检测装置主要用来判断机械手执行左旋/右旋，上升/下降等动作时是否到位，通常选择行程开关，并将其安装在预先设定的位置。本机械手选用直线接触式行程开关，当行程开关检测到机械手运动到预定位置时，立即终止当前动作，准备运行下一动作。

三、结语

综上所述，PLC控制的机械手能够满足生产中工序要求，具有较高的稳定性、可靠性和安全性，且结构简单、成本较低，能够较好地实现自动化的生产。

参考文献：

[1]王学良，张秋菊.基于PLC的机械手自动上下料控制系统设计[J].中国制造业信息化， 2012（15）：59-62.

[2]张海英，刘胜明.基于PLC的自动上下料机械手设计[J].装备制造技术，2010（09）：70-71+74.endprint