淺談工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)

高令

艾沛克斯工具（山東）有限公司，山東日照 262300

摘 要 本文結(jié)合工業(yè)機(jī)械手在現(xiàn)代生產(chǎn)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的高效、簡(jiǎn)單、實(shí)用的機(jī)械手，文章具有一定的實(shí)際指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 機(jī)械手；設(shè)計(jì)；PLC

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）13-0076-02

機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中，其可以有效完成物件搬運(yùn)、零件裝配、部件切割以及機(jī)械噴染等工作。同時(shí)，因?yàn)镻LC順序控制具有簡(jiǎn)單、可靠、靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行研究已經(jīng)成為影響現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵因素之一。

1 工業(yè)機(jī)械手在現(xiàn)代生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前，我國(guó)機(jī)械手通常被用于完成注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送至下一個(gè)生產(chǎn)的工序以及加工行業(yè)中取料和送料操作。另外，在澆鑄行業(yè)中提取高溫熔液等也常用到機(jī)械手。

2 整體設(shè)計(jì)方案擬定

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以圖1展示設(shè)計(jì)的機(jī)械手為例，此機(jī)械手有3個(gè)方向的自由度，主要由腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié)3個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立控制與聯(lián)動(dòng)，在此簡(jiǎn)單介紹其結(jié)構(gòu)特性。

1）機(jī)械把柄的腰部組織構(gòu)件。這個(gè)部分主要的功能是協(xié)調(diào)機(jī)械在水平地面內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械手柄的腰部組織部件同樣是通過(guò)直流電帶動(dòng)這個(gè)部分運(yùn)作的。這個(gè)部分的齒輪是其特點(diǎn)之一，制作過(guò)程簡(jiǎn)單，運(yùn)作范圍不大，但是，需要帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械的運(yùn)作，運(yùn)作準(zhǔn)確度高，且運(yùn)作效率高。

2）機(jī)械部件的肩關(guān)節(jié)。機(jī)械手柄的肩關(guān)節(jié)懸臂結(jié)構(gòu)，同樣采用直流電進(jìn)行操控和運(yùn)作，同時(shí)借渦輪技術(shù)加以輔助運(yùn)作。

3）機(jī)械部件的肘關(guān)節(jié)。機(jī)械部件的肘關(guān)節(jié)的運(yùn)作采用的是鐘表擺動(dòng)類似的結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘狀擺動(dòng)結(jié)構(gòu)不易磨損、結(jié)構(gòu)緊密、使用時(shí)間長(zhǎng)，不易損壞，機(jī)械壽命比同類型其他機(jī)械部件壽命更長(zhǎng)。機(jī)械手柄的肘關(guān)節(jié)運(yùn)作部件同樣采用的是直流電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)作。

2.2 控制設(shè)計(jì)

機(jī)械把手的PLC掌控操作順序會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為以下3個(gè)步驟運(yùn)作。1）注重輸出電路的線路選擇，選擇合適的運(yùn)輸器的輸出型號(hào)的PLC，這個(gè)類型的PLC運(yùn)輸直流電流，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)在一定程度上降低了機(jī)械運(yùn)作是的復(fù)雜程度。2）在輸送電流時(shí)，觀察電流在機(jī)械運(yùn)作時(shí)的運(yùn)送情況，在機(jī)械運(yùn)作時(shí)，電流能否恰當(dāng)及時(shí)充分的傳遞到機(jī)械的各個(gè)部件，通過(guò)PLC判斷機(jī)械運(yùn)作是否到位。3）根據(jù)信號(hào)的輸入路徑和輸出方向來(lái)選擇PLC的適用類型，使整個(gè)機(jī)械運(yùn)作零件完整。

下面以腰關(guān)節(jié)為例說(shuō)明機(jī)械手的控制原理。為了實(shí)現(xiàn)腰關(guān)節(jié)從靜止?fàn)顟B(tài)到啟動(dòng)的控制，該機(jī)械手的點(diǎn)位控制由PLC順序控制實(shí)現(xiàn)，如圖2展示了PLC順序控制的原理。

首先，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)需要利用輸出電路來(lái)帶動(dòng)，而電動(dòng)機(jī)則會(huì)在齒輪的傳動(dòng)作用下帶動(dòng)腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

腰關(guān)節(jié)的實(shí)際轉(zhuǎn)角位置信號(hào)需要利用位置檢測(cè)電位器將其傳送至運(yùn)作部件的電路里。將正常情況下部件運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍和幅度與在部件角落的機(jī)器御座的幅度相比較，如果特殊角落部件運(yùn)轉(zhuǎn)的幅度與正常情況下部件預(yù)裝幅度相同，則證明特殊角落也能接收到正常電流，機(jī)械整體各個(gè)部件都能撐場(chǎng)運(yùn)作，就把輸入電路的信號(hào)送達(dá)到PLC。

在以上基礎(chǔ)上，PLC便會(huì)通過(guò)輸出電路讓電動(dòng)機(jī)發(fā)生制動(dòng)，這樣就可以保證腰關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的完成。

圖3和4分別展示了輸入電路與輸出接口的原理。

對(duì)于機(jī)械手的其他關(guān)節(jié)，其順序控制方法大致與腰關(guān)節(jié)一致，在此不在具體細(xì)說(shuō)。

2.3 PLC選型

在確定了順序控制系統(tǒng)的輸入電路和輸出電路的基礎(chǔ)上，需要按照其輸入方式和輸出方式以及實(shí)際需要的接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)PLC進(jìn)行選擇。

在本文所涉及的機(jī)械手中，其基本需要包括：5個(gè)定時(shí)器、11個(gè)直流電流的控制開(kāi)關(guān)、12個(gè)輸出電流線路快關(guān)設(shè)置。

基于以上分析，最終選則了日本立石公司C28P型PLC，該型號(hào)的PLC可以較好的滿足機(jī)械手順序控制的要求，圖5給出了其主機(jī)箱的結(jié)構(gòu)。

3 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)

PLC順序控制系統(tǒng)軟件可以滿足以下條件：1）機(jī)械工作完畢結(jié)束時(shí)，腰、肩部、肘部等運(yùn)動(dòng)范圍較大的部分先復(fù)位，重復(fù)運(yùn)動(dòng)到部件能運(yùn)動(dòng)所及的最大范圍；2）在機(jī)械各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)范圍的極限時(shí)，機(jī)械會(huì)出現(xiàn)短暫的暫停，再重新開(kāi)始運(yùn)作。運(yùn)作過(guò)程部件的運(yùn)動(dòng)速度由快到慢再到快；3）總開(kāi)關(guān)能控制整個(gè)機(jī)械的全部部件。抓重：300N；坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)；最大工作半徑：800mm；手臂最大中心高：1 115mm；驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)PLC控制的機(jī)械把手符合腰關(guān)節(jié)、肩部肌肉、肘部組織既能單獨(dú)運(yùn)作又能共通協(xié)作運(yùn)作的要求，實(shí)踐操作性和運(yùn)用性較強(qiáng)。

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