机械臂的控制系统设计

杨柳

摘 要：在工业生产过程中，机械臂通常也被叫做工业机器人，是能够帮助很多工厂实现现代化道路的重要设备之一。为了工业的发展跟祖国的繁荣富强，对工业机器人的研究和投入使用具有很高的价值和现实意义。

关键词：机械臂;控制;设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.021

1 机械臂的功能分析

机械臂的功能就是代替正常人完成一些动作，进行零部件安装，以及检测工人在安装零部件的时候是否安装不全，如果零件安装不全，这时候系统就需要发出警报，然后工人就会去安装缺失的那部分零件。在工人工作的时候，同时也要保证机械臂的正常运行，在设计机械臂的大致过程中，要保证机械臂具备以下的功能：

（1）正常旋转功能。即在机械臂检测零件的过程中，必须保证机械臂是可以旋转的，这样才可以将照相机移到相应的零件位置，从而进行检测该位置是否安装了零件，并完成拍摄工作，这样就可以很清楚的知道。工作速度分两个，一个速度是机械臂在自动运行时候用的，而另一个速度是用来示教时候用的。

（2）示教功能。当工人拿着触摸屏的时候，按一次按钮就可以控制机械臂运动一次，从而完成三个点的检测。

（3）再现功能。工人只要按一下触摸屏上面的自动运行按钮，机械臂就会一次性完成三个点的零件检测工作，并进行拍照。

（4）检测功能。当机械臂运动到相应零件位置的时候，这时候就可以进行检测了，与此同时安装在机械臂前段的照相机就得负责拍照并送回照片信息。

（5）报警功能。当系统检测到零件安装位置未装有零件，这时候系统就应该发出警报信息。如果安装了零件，则不发出警报，并继续下一个零件位置的检测。

2 机械臂的总体方案的确定

2.1 机械系统方案的确定

在设计机械臂的时候，采用的是步进驱动器跟步进电机，4自由度机械臂也就是需要4个步进电机跟4个步进驱动器。4个自由度分为3个旋转自由度跟1个移动自由度。

2.2 电气控制系统的设计

用可编程控制输出脉冲从而控制4个步进电机的运动，触摸屏与可编程控制器相连接，通过触摸屏来实现机械臂的运动控制。

本章就是确定了机械臂的功能是用来检测零件是否缺失，如果检测结果显示没有缺失，则进行下一个位置的检测;如果该位置零件缺失，则发出警报，从而工人将缺失的零件给补装上。同时也确定了机械臂的运动是靠步进驱动器跟步进电机来驱动的，步进驱动器与步进电机相连接，通过可编程控制器来实现步进电机的驱动，而可编程控制器的输入端则与触摸屏相连接，通过触摸屏上的按键对可编程控制器进行输入，从而使可编程控制器有了相应的输出，最终实现了机械臂的运动控制。

3 机械系统分析及器件选择

3.1 步进电机的选择

要想实现机械臂的运动，步进电动机是必不可少的，因此就需要进行型号选择。在这里我选用的是Kinco步进电机，这时候就需要根据以下的流程图来计算保持扭矩，从而来选择步进电机型号。

根据计算公式，计算扭矩，所以选的步进电机分别为2S86Q-051F6，2S86Q-4580，2S57Q-0956和2S42Q-0240型号。

3.2 步进驱动器的选择

上面已经选完了步进电动机，但是光有步进电机是没有用的，因为步进电机不能直接连接可编程控制器，PLC与步进电机之间必须接入步进驱动器，所以我们选完步进电机还需要选步进驱动器。在上一步已经根据计算选好了步进电机，然后根据Kinco步进电机与步进驱动器选型手册，进一步选取步进驱动器。根据相关选型表，再根据选好的步进电机，所以选择的步进驱动器的型号分别为：2CM880，2CM880，2CM545和2CM525型号。

3.3 机械臂的机械运动设计

（1）确认4自由度机械臂的机械运动方式。机械臂的运动方式必须满足能够检测到三个点，所以就将4自由度的机械臂分成三个旋转运动跟一个移动运动。前3个电机控制A轴，B轴，C轴正反转，而第4个电机控制轴的升降，在轴的前端放的是照相机，用于检测过程中进行拍照，从而判断该点零件是否缺少安装。

（2）运用三维软件Solidworks绘制机械臂的零件图。首先进行机械臂零件图的绘制，零件图绘制的步骤如下：

1）右击或双击三维绘图软件Solidworks图标，从而打开了Solidworks软件;2）新建文件;3）选择零件绘制;4）草图绘制;5）绘制零件草图;6）退出草图;7）进行拉伸或者旋转;8）编辑材料。

画完每一个零件图都另存为同一个文件夹，以便于装配的时候添加。

（3）运用Solidworks进行零件装配。SolidWorks进行装配的步骤如下：

1）打开SolidWorks三维绘图软件;2）新建文件，选择装配体;3）开始装配体，点浏览文件夹，将刚刚所画的零件另存，最好是存放在同一个文件夹里，最后将所完成的零件一个个添加进来;4）开始配合各个零件，使之能成为一个整体;5）搞清楚哪部分是需要动的，搞清楚是怎样的运动，在配合的时候就需要注意;6）4自由度的机械臂可以分四部分进行装配，先从底座开始装配，开始是三个旋转副，最后是移动副。

（4）运用Solidworks进行仿真。三维软件Solidworks仿真步骤如下：

1）打开SolidWorks三维绘图软件;2）在菜單栏执行打开文件的命令;3）打开装配体;4）进行仿真设置。

4 结论

综上所述，机械臂不仅能够帮助很多工厂实现现代化道路，而且还能为工厂带来可观的经济利益。通过对机械臂的控制系统设计进行分析，对于工业机器人的研究和投入使用有着重要的价值和现实意义。

参考文献：

[1]王连明，陈铁鸣.机械设计第二版[M]，哈尔滨工业大学出版社，1998：200-207.

[2]吴宗泽.机械设计手册[M].机械工业出版社，2002.