自动化机械臂的结构设计

孙 艳

（忻州职业技术学院 机电系，忻州 034000）

目前，自动化机械臂在汽车生产行业获得了广泛应用。自动化机械臂具有诸多优势，如可长期进行重复性工作、耗费人力资源较少等。但是，自动化机械臂造价昂贵，在大型企业中需要多台相关设备进行工业化操作，会增加企业的前期投入。文章通过相关研究设计了一种造价较低和自动化程度较高的机械臂设备，能够节省投资成本，提高生产效率，在满足自动化和规范化的前提下，极大地提高了生产安全性，具有一定的应用价值[1]。

1 自动化机械臂概述

1.1 控制系统结构组成

一般来说，机械臂的运动控制管理系统是为了使整个机械臂的运动协调更加稳定，包括采用高性能的数控计算机及其相应的控制系统管理硬件和控制软件。机械臂的运动控制组成部分一般可划分为4个部分，分别为控制机械臂及其运动感知器、环境、任务和控制器[2]。机械臂具体尺寸如图1所示。

机械手臂传动系统是由多个机械的器械部分组成的传动装置。它利用机械感知器的内部状态感应器，完成控制自然本体与外界环境条件以及周围状况的即时监测与自动信号交换。本体环境状态的即动是指控制机械手臂转动时所在区域内的本体环境[3]。手动任务功能通常泛指转动机械臂时必须手动进行的所有动作。它们需要适当的应用程序语言加以说明，或将它直接存入微控制箱。微控制器包含微机软件与自动硬件，相当于机械手的大脑，以自动计算机或机械专用的微控制器来运行受控程序，从而自动完成系统给定的各种任务[4]。

控制系统的主要硬件一般包括3部分，分别为本体感知部分、自动控制处理装置部分和机械驱动部分。本体感知部分用于实时收集基于机械臂的内部和外部的本体信息，如本体位置、速度、加速度等电传感器，可实时接受基于机械手的内部本体工作状态，而其他视觉、触觉、力觉等物理传感器可直接感受基于机械手的本体工作周围环境的外部本体状态。自动控制处理装置用来控制处理各种控制信息，完成各种控制操作过程，并产生各种控制指令，主要包括控制计算机端和相应的控制接口等。对于机械驱动部分，为了使移动机械手能够完成移动操作及具备移动物体功能，机械臂各驱动关节部位可分别选用气动、液动、电气等驱动方式驱动[5]。

1.2 控制系统的性能要求

对于一般的控制系统有如下控制要求，分别为减小稳态检测误差、分析过渡设计过程中的性能和软件稳定性。

1.2.1 减小稳态检测误差

稳态过渡误差的定值为当稳态过渡处理过程全部完成后，理论预测的实际稳态输出量与实际的预测稳态输出功率之差。控制器的水平与稳态运动偏差越小，说明控制精度越高。因此，稳态运动误差是直接衡量控制仪器系统主要性能好坏的一项重要指标。设计控制仪器系统性能的首要任务是在完全兼顾其他系统性能指标的情况下，使系统稳态运动误差尽可能小或者尽量小于某个指标允许的性能限制值[6]。

1.2.2 分析过渡设计过程中的性能

通常采用过渡均衡性和过渡迅捷性两种方式综合评价系统性能。平衡性快速是指当系统从初始均衡状态快速运动过渡到最新的均衡运动状态时，系统具有较小的超调和或过渡振荡特性。其中，速度表征系统适用于过渡状态运动过程的快速变化程度[7]。

1.2.3 软件稳定性

稳定性是系统内在受到短暂的轴向扰动后，内部运动平衡性能从轴向偏离时的平衡点状态恢复，并达到原来的平衡点稳定状态的重要能力。稳定性要求一般是工业自动控制领域必须满足的基本技术要求。如何深入研究系统的稳定性，是工业自动化过程控制管理系统设计的一个基本技术问题。

2 传感器

2.1 位置检测装置

当自动机械手需要执行左旋/右旋、前缩后伸/伸或回缩、上升/上或下降等动作时，应有相应的自动检测器可以检测各个动作位置是否准确到位，如常用的动作位置自动检测检查装置内部是否有行程开关。系统设计主要采用一台直线接触式运动行程开关机来检测机械手开关动作精度是否完全到位，当机械手运动到指定开关位置时，若碰到行程开关，则终结执行上一个开关动作，准备开始执行下一个开关动作。

2.2 滑觉传感器

硬盘软键盘转动吸取主要通过转动吸盘最小零度吸力系数值来转动吸取其他物体，可有效保证吸盘工作时的可靠性。吸取软物体时，若吸力不够，则被动受吸取物的整个身体可能会受到滑动重力产生的反重力进行滑动。滑觉中的吸力滑动传感器是为了能够用来检测物体重力滑动而设计的，便于检测达到物体滑动方向修正后的滑动吸力，防止与被动受吸取物的身体产生重力滑动。

2.3 视觉传感器

机械臂颜色视觉的主要作用是在很大程度上模仿普通人的眼睛，对不同的颜色物体分别颜色识别。目前，用于灯光颜色信息识别的灯光传感器主要有两种基本应用类型。一是单色标灯光传感器。它可以使用色标白炽灯泡的光源或单色标的发光二极管（Light Emitting Diode，LED）炽灯光源。二是RGB（红绿蓝）3种颜色的光传感器。它可以检测一个物体对3种基色的光线反射率和比率，从而鉴别一个物体上的颜色。这类密封装置大多是反射型、光束型、光纤型，封闭安装在各种磁性金属和其他聚碳酸脂材料外壳中。

3 控制系统PLC的选型及控制原理

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的基本设计原则是在符合生产功能安全要求、保证质量安全和维修简单的基本前提下，力求获得最佳的生产性能值和价格相对比。选型时，设计人员主要综合考虑以下几个要点。

3.1 必须具备相应的应用功能以及配置条件要求

通常，中小型（低档）PLC设备均能够实现逻辑计算、定时器以及计数等功能。本系列温控系统按实际需要使用户可以自动选择温控开关的容量大小，因此选用一般小容量型号的开关元件即可。

3.2 必须具备系统响应速度快的要求

PLC控制系统是为应用于制造业流程自动化等领域而设计的一种通用自动控制器。人们需要慎重考虑使用PLC的中断速度，可以考虑使用同时具备高速中断与零处理模块功能的中低速PLC，或者可选用同时具有快速中断响应处理模块和快速中断信号输入处理模块的高速PLC等。

3.3 制定合理的结构形式

PLC系统主要有总体式和模组式两种结构形式。总体式PLC的平均价格比模组式便宜，且体积相对较小，通常应用于工艺流程相对稳定的小型系统。考虑到此系统控制方式比较简单，可适用于小批量生产线，因此选用总体式PLC比较理想。

3.4 制定合理的安装操作管理方式

PLC的远程安装操作系统方式一般可分为远程配置集中式、远程输入/输出（Input/Output，I/O）方式和由多台多个人的PLC控制装置在互联网上的远程配置分布式。集中式系统无须再为所需要放入设备额外安装或设置任何远程驱动器以及远程I/O硬件，因此系统设计工作简单、反应快速及成本低。在走向工厂化的大型小批量远程调试系统生产中，如何有效降低远程调试器的成本显得尤为重要。因此，对于此操作系统，用户选择的方式是基于集中式远程调试的安装操作系统方式。

4 结语

随着机械臂技术的不断发展，该机械装置不仅可直接替代他人从事危险、有害、有毒、低温和严寒高热等恶劣工作环境，也可代替他人自动完成繁重、单调的重复劳动，有利于提高工业劳动生产率，保证工业产品质量。随着工业科学分拣技术的不断发展和PLC在现代工业生产和全过程管理中的广泛应用，机械臂不仅可以广泛应用于工业物料自动分拣，而且可以广泛应用于工业垃圾焚烧对固体垃圾自动分拣等。

机械臂的动力控制传动系统主要采用一种技术性和可靠性都较高的PLC来实现自动控制。该机械设备具有更加灵活、动作准确、易于安装维护等特点，显著提高了劳动生产率，能够做到各种生产操作管理方式自由切换，满足了各种类型生产线的要求。