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工業(yè)機械手的設(shè)計-機械專業(yè)論文
摘 要：文章中主要講述了在機械的實際操作過程中用來幫忙完成上下料的機械手的相關(guān)機械結(jié)構(gòu)，并且以直流力矩電動機驅(qū)動的具有三自由度的工業(yè)機械手為實例研究了其控制系統(tǒng)的相關(guān)軟、硬件的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機械手;PLC控制;直流力矩電動機
目前，我國的科技發(fā)展迅速，加工制造行業(yè)也越來越趨向于自動化，在機械加工、機械制造行業(yè)已經(jīng)普遍運用機械手來幫助完成工作，機械手大部分是用于自動安裝及自動包裝工作，還用來幫忙上下料這種高重復(fù)性的工作。PLC控制技術(shù)不斷發(fā)展，使用其的益處越發(fā)明顯，尤其是在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、是否可靠、是否靈活等方面都有其特有的優(yōu)勢，所以，現(xiàn)在的PLC控制技術(shù)已經(jīng)普遍運用到自動化生產(chǎn)的控制工作中了，它可以幫助不同的機械完成自動化操控，下面文章中主要闡述了由PLC控制的工業(yè)機械手的系統(tǒng)的設(shè)計過程。
1機械手系統(tǒng)組成與工作原理
下面文章中主要以三自由度機械手為研究對象具體闡述工業(yè)機械手的設(shè)計，這種類型的機械手靈活、自由，能夠?qū)C械手的各個部位進行獨立控制。機械手的設(shè)計結(jié)構(gòu)大致是：機械手的腰關(guān)節(jié)主要是為了幫助機身在平面上實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動作，此部位的驅(qū)動電機屬于直流力矩電機，這一類型的電機結(jié)構(gòu)屬于三級齒輪減速傳動結(jié)構(gòu)，由于這種傳動結(jié)構(gòu)的構(gòu)造簡單，所以它工作起來的效率很高，并且準(zhǔn)確度高。肩關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)是懸臂梁式的結(jié)構(gòu)，工作原理是通過直流力矩電機帶動渦輪副桿完成傳動工作。肘關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)是擺動螺旋式的結(jié)構(gòu)，這一關(guān)節(jié)的特點是比較穩(wěn)定、構(gòu)造簡單。并且這一關(guān)節(jié)的電機也是直流力矩電機。
在實現(xiàn)以上三個關(guān)節(jié)活動的過程中，機械手采用的是電位器反饋的方式來完成對各關(guān)節(jié)運動位置的判斷，電位器安裝在腰關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的末級齒輪中心軸同軸，肩關(guān)節(jié)蝸桿軸以及肘關(guān)節(jié)連接銷軸同軸。其順序控制形式是通過PLC電位控制來實現(xiàn)，比如要完成腰關(guān)節(jié)從靜止位置到旋轉(zhuǎn)一個設(shè)定的角度這個動作，PLC控制系統(tǒng)其通過輸出電路驅(qū)動負(fù)責(zé)腰關(guān)節(jié)的直流力矩電機旋轉(zhuǎn)從而帶動該關(guān)節(jié)機械轉(zhuǎn)動，到達(dá)設(shè)定的角度位置時候，電位器檢測到該位置的反饋信號，PLC控制系統(tǒng)判斷機械手已經(jīng)完成了目標(biāo)指令，其控制輸出回路斷電，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)停止，則腰關(guān)節(jié)正好到達(dá)程序命令的轉(zhuǎn)動位置，則PLC自動進入下一步程序進行動作輸出。
2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)上文提到的各關(guān)節(jié)動作控制完成方式可以看出，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)包含輸入電路、輸出電路以及控制系統(tǒng)本身三個部分。
2.1輸出電路
作為輸出電路的執(zhí)行部件，直流力矩電機在線性度以及反應(yīng)速度方面具有其它電機無法比擬的優(yōu)勢，同時該類型電機也可以滿足長期運行在低速甚至堵轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)。
為了滿足PLC對各關(guān)節(jié)動作的順序控制，輸出電路對電機控制通常采用開關(guān)控制的形式，只要使用符合控制要求的繼電器輸出型PLC，就能使用該PLC對直流電機進行直接的驅(qū)動，從而從電路設(shè)計角度就大大簡化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)非常直接，PLC內(nèi)部程序得到執(zhí)行指令后，其設(shè)定用于控制動作輸出的繼電器線圈得點，相應(yīng)串接在電機驅(qū)動回路的繼電器觸點OUT閉合，執(zhí)行電機得電開始轉(zhuǎn)動，帶動執(zhí)行元件按照設(shè)計的運動方式進行運動，直到接受到完成系統(tǒng)指令后，繼電器觸點OUT打開，電機驅(qū)動回路斷開，電機停轉(zhuǎn)等待下一個指令。如同常用電路一樣，電機控制回路也可以通過橋式以及分級的接線方式來實現(xiàn)對電機正反轉(zhuǎn)和順序控制。
2.2輸入電路
PLC控制系統(tǒng)的輸入量IN直接取自安裝在機械手各個關(guān)節(jié)的電位器，電位器的安裝位置需要根據(jù)規(guī)定的機械手動作范圍來設(shè)定，當(dāng)機械手的動作范圍到達(dá)設(shè)定的某個位置時，對應(yīng)位置的電位器其輸出的模擬電壓信號直接反饋給PLC控制系統(tǒng)，PLC通過比較給定位置的電位與接受到位置電位的大小來判斷，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時，PLC內(nèi)部程序驅(qū)動相應(yīng)結(jié)點的輸出電路動作，來實現(xiàn)該指令執(zhí)行的完畢，從而轉(zhuǎn)入下一指令。IN點的內(nèi)部設(shè)有光電耦合電路，來實現(xiàn)內(nèi)外部強電弱電的隔離。一旦活動關(guān)節(jié)在執(zhí)行指令時候電位器返回的信號與設(shè)定的范圍比較失敗，則程序自動判斷執(zhí)行失敗，該關(guān)節(jié)返回到初始位置后，該程序重新被執(zhí)行，這種回路的設(shè)計從硬件層面保護了機械部件，避免電機將執(zhí)行機構(gòu)錯誤的拖入不應(yīng)該的位置而造成設(shè)備損壞。
2.3選擇PLC
在確定了控制系統(tǒng)的外部輸入輸出電路之后，接下來就可以進行輸入輸出方式的設(shè)計階段，決定PLC選型的主要參數(shù)就是滿足輸入輸出方式所需要的輸入點、輸出點、內(nèi)部用于延時的時間繼電器數(shù)量。在本次的PLC選型的過程中，考慮到這種機械手有12個輸入點，9個輸出點以及7個用于延時的時間繼電器，綜合考慮到造價成本以及后續(xù)拓展需要，方案選擇日本歐姆龍公司生產(chǎn)OMRON- C28P型PLC。這種PLC完全能滿足三自由度工業(yè)機械手的順序控制要求。
3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計按照以下六步的順序進行：
1)確定系統(tǒng)順序控制次序及功能;
2)制定輸入輸出分配表;
3)建立適合系統(tǒng)的控制關(guān)系;
4)繪制梯形邏輯分析圖;
5)編譯代碼程序;
6)通過終端輸入到P LC主機.
PLC順序控制系統(tǒng)軟件必須滿足以下三個原則：
1)系統(tǒng)總開關(guān)閉合時，各關(guān)節(jié)部分分別復(fù)位回到各自的初始位置，之后開始執(zhí)行順序動作命令;
2)當(dāng)各關(guān)節(jié)運動到上限或下限位置時，在接近設(shè)定動作位置時電機要有減速過程，同時在到達(dá)位置后執(zhí)行機構(gòu)停止1秒后才能進入到下一個動作過程;
3)系統(tǒng)總開關(guān)斷開，全部動作停止，在原位置待命。
4結(jié)語
基于PLC控制的工業(yè)機械手不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三自由度機械手各關(guān)節(jié)獨立以及整體運動，完成生產(chǎn)線上下料的自動循環(huán)，同時綜合控制系統(tǒng)還能完成多個機械手之間的協(xié)同配合，從而完成料物的連續(xù)搬運。同時該系統(tǒng)在運行過程中，也可以根據(jù)實際需要進行操作指令調(diào)整，滿足了系統(tǒng)對實際應(yīng)用的需要，維護簡單。
參考文獻(xiàn)：
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