基于PLC的坐標式機械手的設(shè)計

吳軍　鄭小軍

【摘 要】根據(jù)薄板類工件自動上下料的功能需求，設(shè)計了一套三坐標式機械手裝置。其主要硬件機構(gòu)為三軸執(zhí)行機構(gòu)、氣動指狀抓手、控制系統(tǒng)、步進驅(qū)動器等。并利用西門子可編程軟件完成了系統(tǒng)使能啟動、手動控制、準停輸出等功能程序的編制。該裝置的設(shè)計及應(yīng)用將提將大大降低操作人員的勞動強度，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和精度。

【關(guān)鍵詞】PLC；坐標式；抓手；直線模組

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人民生活水平日益提高，相應(yīng)的企業(yè)用工成本與日益萎縮的效益儼然成為了當前各制造行業(yè)的重要矛盾。為了緩解這種矛盾，國家提出了傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)必須轉(zhuǎn)型升級，相關(guān)領(lǐng)域需向工業(yè)自動化、智能制造等高科技高附加值方向轉(zhuǎn)變。因此，“機器換人”等戰(zhàn)略實施方案已在國內(nèi)悄然興起。

本文設(shè)計了一種簡易型坐標式機械手，用以替代傳統(tǒng)人工操作，可用較低成本實現(xiàn)企業(yè)用工成本的降低。極大提高了設(shè)備生產(chǎn)效率、降低了因人力因素帶來的生產(chǎn)困擾。

1 總體設(shè)計方案

本機械手總體功能為：（1）實現(xiàn)X軸向的正負移動；（2）實現(xiàn)Y軸向的正負移動；（3）實現(xiàn)Z軸的正負移動；（4）氣動抓手能平穩(wěn)緊固的抓取薄板類工件。其主體部件為執(zhí)行X、Y、Z軸方向搬運的直線模組以及執(zhí)行工件抓取的氣動抓手。其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 坐標式機械手示意圖

2 硬件設(shè)計及選型

2.1 X、Y、Z軸執(zhí)行機構(gòu)

坐標式機械手送料機構(gòu)承擔著取料、送料、加工定位的功能。其三軸（X＼Y＼Z）可采用直線模組形式進行直接搭配，也可采用滾珠絲杠搭配直線導軌進行自定義安裝。其中直線模組尺寸規(guī)格較為緊湊，無法進行大跨距拼接，而滾珠絲杠配合直線導軌則可按自定義尺寸進行搭接，配合同步帶輪工作后其可操作范圍更廣。圖2為市場上較為通用的直線模組。該模組由57步進電機和絲杠、導軌等組成。

2.2 夾持機構(gòu)設(shè)計和選用

由于被抓零件為薄板類工件，本機械手宜選用指裝機械結(jié)構(gòu)。同時考慮到該裝置的穩(wěn)定性，故采用MHC2-20D氣動指狀抓手，如圖3所示。

2.3 控制系統(tǒng)

本裝置的控制系統(tǒng)采用西門子ST60可編程控制器。利用該PLC控制器的輸出端口控制步進驅(qū)動器，從而達到控制57步進電機的轉(zhuǎn)速和距離，最終實現(xiàn)坐標式機械手空間三軸移動。

2.4 步進驅(qū)動器

步進驅(qū)動器是驅(qū)動步進電機工作的必備裝置。本裝置將采用雷賽M542步進驅(qū)動裝置。為防止干擾，所有接線均采用雙絞線屏蔽電纜線。如圖5所示。

2.5 變壓器

由于設(shè)備整體供電采用220V交流民用電，而控制系統(tǒng)中的可編程控制器和步進驅(qū)動裝置均采用24V直流電源輸入。因此，本裝置還得外接220V交轉(zhuǎn)直流24V變壓器。如圖6所示。

2.6 氣源

由于夾持機構(gòu)采用氣動指狀抓手，因此本裝置還需增設(shè)0.8MPa壓力的無油靜音壓縮機一臺。

3 PLC控制程序

根據(jù)產(chǎn)品加工需要，特針對本裝置設(shè)定了相關(guān)控制程序。（1）使能啟動程序；（2）手動控制程序（3）定位輸出程序。

使能啟動程序為X、Y、Z軸的功能激活模塊，其程序如圖7所示：

如設(shè)備需進行各軸的手動移位控制，則需編制手動控制程序，如圖8所示：

為了保證設(shè)備的準確定位，可通過GOTO功能模塊實現(xiàn)設(shè)備的準停功能，如圖9所示：

4 結(jié)論

根據(jù)設(shè)備的功能需求，本裝置設(shè)計了并選配了相關(guān)裝置：（1）X、Y、Z軸執(zhí)行機構(gòu)（2）夾持機構(gòu)（3）控制系統(tǒng)（4）步進驅(qū)動裝置（5）變壓器等。本工作站采用西門子可編程自動控制器進行控制，實現(xiàn)了三軸空間移動，能較好的完成相關(guān)工廠任務(wù)。

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