基于PLC控制的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

姚海妮 殷鳳蘭

【摘要】伴隨電子技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，造業(yè)出現(xiàn)了驚人的變化，特別是工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，更加快了我國現(xiàn)代制造業(yè)的腳步，機(jī)械手是一種能實(shí)現(xiàn)自動控制、可編程控制、自由度高的自動化生產(chǎn)設(shè)備，可用于材料搬運(yùn)、零件調(diào)度，能完成各種作業(yè)，基于PLC編程控制的機(jī)械手具有和人手臂相似的動作功能，可根據(jù)需要編制程序，使其能靈活的抓放物體，完成指定的動作，是當(dāng)下應(yīng)用非常實(shí)用的生產(chǎn)裝備。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手是多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，靈活性好、實(shí)用性強(qiáng)，安全度高，可以提高工作效率，并能實(shí)現(xiàn)自動化、無人化。

【關(guān)鍵詞】PLC 多自由度 工業(yè)控制

引言：機(jī)械手是一種生產(chǎn)裝備，可提供作業(yè)所需的運(yùn)動和動力，自動實(shí)現(xiàn)手部作業(yè)，基于PLC控制的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)為多關(guān)節(jié)，體現(xiàn)在手的抓取、手腕的旋轉(zhuǎn)、手的伸縮，通過控制裝置、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后通過檢測系統(tǒng)形成閉環(huán)系統(tǒng)，它動作靈活，將機(jī)械、液壓傳動與電氣相結(jié)合實(shí)現(xiàn)平面四桿機(jī)構(gòu)的抓取，特別適用于工業(yè)和食品行業(yè)，可以提高工作效率。

1、機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)械手臂是由PLC進(jìn)行總體控制，經(jīng)傳動中樞，通過液壓傳動驅(qū)動，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到查詢系統(tǒng)，最后進(jìn)行檢測，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)型，按照圓柱坐標(biāo)形式動作，靈活性好，作業(yè)空間范圍較大，剛度、精度較高，整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡易，滿足功能要求。

2、機(jī)械手的夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的夾持器為雙指手爪式，本設(shè)計(jì)采用回轉(zhuǎn)式連桿夾持器，結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)驅(qū)動器推動桿上下移動時(shí)，由桿、連桿、擺動鉗爪和夾持器構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)，迫使鉗爪完成夾緊和松開動作，夾緊力

在結(jié)構(gòu)尺寸b、c和驅(qū)動力F_P一定時(shí)，夾緊力F_N和α角成反比，當(dāng)α角較小時(shí)，夾緊力較大，當(dāng)α=0時(shí)，爪鉗閉合到最小極限位置。

3、驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)及計(jì)算

將各驅(qū)動方式對比，本設(shè)計(jì)采用液壓式的驅(qū)動方式，它速度較快，結(jié)構(gòu)簡便，抓重大，重復(fù)定位精度較高，臂力可達(dá)900N以上，機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)類型由對應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的類型來決定，本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是動力大，易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動，可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)控制，擴(kuò)大了機(jī)械手臂的用途范圍，使得機(jī)械手臂在機(jī)械制造的各個(gè)行業(yè)得到推廣使用。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂能夠進(jìn)行伸縮、回轉(zhuǎn)，靈活的抓取動作，通過液壓缸驅(qū)動手臂伸縮，活塞桿固定不動，采用燕尾型導(dǎo)軌導(dǎo)向，剛度大，工作平穩(wěn)，手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用擺動液壓馬達(dá)驅(qū)動，其固定在手臂支架上，液壓馬達(dá)動片轉(zhuǎn)動時(shí)，利用擋塊和行程開關(guān)定位。整個(gè)驅(qū)動裝置主要由機(jī)械手爪，爪殼，活塞桿，活塞殼等組成。

計(jì)算夾緊缸驅(qū)動力

爪殼和缸殼連成一體，當(dāng)壓力油從液壓缸油管右側(cè)進(jìn)油時(shí)，活塞桿向左移動，推動手爪閉合;當(dāng)壓力油從液壓缸左邊進(jìn)油時(shí)，拉

4、機(jī)械手的可編程控制

本設(shè)計(jì)采用三菱FX2N系列PLC進(jìn)行控制，它是三菱FX2N系列PLC中功能最強(qiáng)、速度最快的小型可編程控制器。基于三菱FX2N系列PLC控制的機(jī)械手程序簡單，活動靈活，便于實(shí)現(xiàn)控制。

工業(yè)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)相當(dāng)于CPU，它不但協(xié)調(diào)控制機(jī)械手的各部分動作，還要統(tǒng)籌機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的動作。機(jī)械手的動作位移順序、到達(dá)指定的位置，包括上下、左右的移動、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動、手腕的擺動和回轉(zhuǎn)、手指的張、開動作，以及各個(gè)動作的時(shí)間、速度等，都是在PLC的指揮下，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序來實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)過程包括：電氣控制路線圖，根據(jù)控制要求完成I/O地址的分配，完成PLC硬件接線圖的設(shè)計(jì)，繪制梯形圖，輸入調(diào)試控制程序。

5、小結(jié)。機(jī)械手屬于工業(yè)機(jī)器人的一種，它通過各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)其末端執(zhí)行器的位姿變化，其位姿體現(xiàn)了末端執(zhí)行器在指定坐標(biāo)系中的位置姿態(tài)，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂由三菱PLC整體控制，編程簡便，可根據(jù)需要編程控制、調(diào)整機(jī)械手臂的動作，由液壓驅(qū)動它的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)手部作業(yè)，末端執(zhí)行器可滿足作業(yè)動作要求，基于PLC控制的機(jī)械手臂操作靈敏，調(diào)試方便，并且在工程應(yīng)用之前可進(jìn)行仿真調(diào)試，可以提高工作效率。

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