基于機(jī)械手搬運(yùn)工件的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉凱

為了提升機(jī)械手搬運(yùn)工件自動(dòng)化系統(tǒng)科學(xué)性和智能性應(yīng)用質(zhì)量，滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)應(yīng)用要求，提高工業(yè)企業(yè)智能化發(fā)展水平，積極推動(dòng)工業(yè)改革轉(zhuǎn)型進(jìn)程，要對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程予以全面分析。結(jié)合工作原理以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案，并有效評(píng)估硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容和軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容的具體處理細(xì)節(jié)，分析主控單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、系統(tǒng)電源、運(yùn)動(dòng)控制模塊以及PLC控制模塊的具體內(nèi)容，利用Matlab軟件分析運(yùn)動(dòng)軌跡，以便于建立對(duì)比分析和處理框架。通過(guò)仿真分析模塊，驗(yàn)證出機(jī)械手搬運(yùn)工件自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用能大幅度降低人工勞動(dòng)量，減少企業(yè)用人成本，也能提升工作人員的工作質(zhì)量，避免人工操作危險(xiǎn)性較大作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)概率，保障人身安全。

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伴隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)企業(yè)要想提升市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，就要建構(gòu)完整的技術(shù)分析模式，全面提高機(jī)械手相關(guān)運(yùn)動(dòng)軌跡的研究水平，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，打造智能化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型方案，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。

1.1 工作原理

機(jī)械手主要的組成部分包括驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)等，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要按照先后順序完成相應(yīng)模塊的工作內(nèi)容。利用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓臂，能完成貨物的搬運(yùn)管理，推桿在最短收縮位置時(shí)末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)會(huì)將相應(yīng)獲取下降到指定的位置，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓手和導(dǎo)桿帶動(dòng)右邊的小抓手，開(kāi)放到適當(dāng)?shù)慕嵌群途嚯x就能完成相應(yīng)的工作。另外，機(jī)械手底座電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)平行四邊形結(jié)構(gòu)制定搬運(yùn)指令，保證初始位置搬運(yùn)到指定的重點(diǎn)位置。除此之外，機(jī)械手還能結(jié)合貨架的實(shí)際高度完成升降調(diào)控，在重復(fù)動(dòng)作的過(guò)程中完成貨物的搬運(yùn)。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，外部傳感器和控制器的相互作用，能有效維持驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用效果，匹配“貨籃運(yùn)送執(zhí)行單元”、“機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)執(zhí)行單元”、“機(jī)械手抓取執(zhí)行單元”、“機(jī)械手旋轉(zhuǎn)執(zhí)行單元”，就能建構(gòu)完整的控制器處理框架。

首先，外部傳感器能及時(shí)完成貨籃實(shí)際位置信息的讀取和分析，并且將檢測(cè)有效的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹醒肟刂破鳙@取的電信號(hào)，維持綜合應(yīng)用流程的規(guī)范性，確保處理效果滿足預(yù)期。

其次，控制器能對(duì)相應(yīng)的模塊予以識(shí)別處理，并且配合機(jī)械手完成處理工作，促進(jìn)機(jī)械手快速完成搬運(yùn)處理工作。機(jī)械手的相關(guān)動(dòng)作過(guò)程圖配合電磁閥門，結(jié)合PLC輸出繼電器控制模式，使用輸出端維持整體應(yīng)用效果。

最后，利用延時(shí)控制回路就能對(duì)繼電器等相關(guān)元件予以實(shí)時(shí)性管理，特別是在一些易燃易爆和粉塵環(huán)境中，處理模式能更好地維持應(yīng)用效果。

2.1 控單元

2.1.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

選擇AT24C04數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，能有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的及時(shí)性富集和儲(chǔ)存管理，保證電路連接的合理性和規(guī)范性，并且，信號(hào)端還能配合SDA建立主動(dòng)單元連接機(jī)制，設(shè)計(jì)中符合16位回應(yīng)要求。

2.1.2 復(fù)位模塊

為了維持機(jī)械手搬運(yùn)工件應(yīng)用的規(guī)范性，機(jī)械手的X軸、Z軸和U軸、V軸都要設(shè)置發(fā)光元器件，復(fù)位時(shí)結(jié)合槽型光耦點(diǎn)維持遮光效果。需要注意的是，因?yàn)闄C(jī)械手在實(shí)際操作中無(wú)法回到原點(diǎn)位置，因此，輸出的電壓一般都是高電平，以保證電磁干擾環(huán)境的適應(yīng)性和合理性。另外，工業(yè)設(shè)備會(huì)對(duì)光耦采集信號(hào)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，所以，要結(jié)合傳感器輸入信號(hào)的隔離處理。

2.1.3. 編碼器模塊

在實(shí)際操作工序中，為了全面提升電機(jī)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角度的速度測(cè)試的合理性，就要配合增量編碼器維持功能性電機(jī)速度和位移測(cè)試工作，匹配不同相處理要求，盡量提升引腳配置的合理性。

1）在編碼器輸出端輸入A相和B相。

2）借助10K電阻維持電源DC5V的應(yīng)用，保證部分關(guān)鍵引腳處于懸空狀態(tài)。

3）結(jié)合STM32單片機(jī)應(yīng)用要求，輸入引腳內(nèi)容，完成配置。

2.1.4 串口屏驅(qū)動(dòng)模塊

結(jié)合實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)分析，目前串口屏幕以及TFT屏幕的應(yīng)用較為廣泛，為了維持STM32單片機(jī)應(yīng)用的效果，要匹配總線線路連接結(jié)構(gòu)，提升液晶顯示屏幕應(yīng)用質(zhì)量。在選取屏幕線路排線的過(guò)程中，要維持線路距離為20cm，不僅要考量工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境，也要全面分析傳輸距離等，從而基于FPGA技術(shù)進(jìn)行串口應(yīng)用系統(tǒng)的綜合處理，維持串口指令的合理性和規(guī)范性，依據(jù)單片機(jī)發(fā)送的指令就能建立貼合串口通信協(xié)議的數(shù)據(jù)連接和傳輸模式。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)過(guò)程中，要按照X軸、Z軸和U軸共同處理的方式予以控制，其中，U軸電機(jī)為57步進(jìn)電機(jī)，其余皆為42步進(jìn)電機(jī)。本文選取的是THB6128驅(qū)動(dòng)芯片，配合電壓220V、信號(hào)電壓5V/24V脈沖信號(hào)，能維持較好的低導(dǎo)通電阻性能，并且具備較好的耐壓數(shù)值（40V）。進(jìn)電機(jī)選取的是混合步進(jìn)電機(jī)，結(jié)合永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式優(yōu)勢(shì)。

另外，系統(tǒng)在選擇電阻參數(shù)的過(guò)程中，要確保互動(dòng)電阻器能匹配電阻值，維持在K級(jí)電阻模式，設(shè)置對(duì)應(yīng)的地線維持連接模式。與此同時(shí)，高速光耦和電阻的連接能在提升單片機(jī)信號(hào)處理效果以及抗干擾水平。

2.3 系統(tǒng)電源

在整個(gè)機(jī)械手搬運(yùn)工件自動(dòng)化系統(tǒng)硬件模塊內(nèi)，為了維持其穩(wěn)定性、安全性，要匹配較好的電源，本文選定5V電源作為電源模塊，利用LM2575芯片。并且，要選取系統(tǒng)電流恒定模式，確保電路輸出電流不會(huì)受到影響。

2.31. 單片機(jī)選型

采取的是型號(hào)32位單片機(jī)，其實(shí)際的電壓參數(shù)選取范圍[2.0：4.6]，一般是利用4.3V，能在提升穩(wěn)定性的同時(shí)，減少電源系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)造成的影響。

2.3.2 主控單元電源

因?yàn)橹骺貑卧娫茨K在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的作用，因此，要維持串口屏驅(qū)動(dòng)模塊、復(fù)位模塊、編輯器模塊等子模塊的應(yīng)用效果。在基礎(chǔ)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要在維持主控單元模塊電流量最小的同時(shí)，配合使用USB接口維持電源應(yīng)用質(zhì)量。一方面，輸入端輸出的濾波和網(wǎng)絡(luò)連接，確保芯片的濾波轉(zhuǎn)化過(guò)程有序開(kāi)展。另一方面，在完成連接的同時(shí)，選取參數(shù)對(duì)應(yīng)性。

2.4 機(jī)械手設(shè)計(jì)單元

2.4.1 曲柄連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提升機(jī)械手搬運(yùn)工件自動(dòng)化系統(tǒng)中機(jī)械手單元的靈活性和可靠性，就要結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律對(duì)曲柄連桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要求予以分析，為此機(jī)械手臂的規(guī)范性。因?yàn)?，本文設(shè)計(jì)的是平行四邊形機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，因此，要想提升其穩(wěn)定性和應(yīng)用效果，就要在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)主要施加部位予以處理，維持剛度和強(qiáng)度參數(shù)的同時(shí)，保證其處于長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下依舊能及時(shí)完成動(dòng)作指令。另外，在設(shè)計(jì)材料選擇的過(guò)程中，一般是選取工業(yè)鋁型材料，能借助氧化處理提升耐久性，且清洗護(hù)理較為方便，能選定固定角件完成配置安裝和處理工作。

2..4.2 抓手設(shè)計(jì)

抓手設(shè)計(jì)也是機(jī)械手設(shè)計(jì)單元中較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是機(jī)械手搬運(yùn)工件自動(dòng)化系統(tǒng)和獲取直接接觸的位置，此時(shí)，為了保證機(jī)械手設(shè)計(jì)實(shí)效性，就要整合拾取和夾緊動(dòng)作設(shè)計(jì)的流程，維持貨物穩(wěn)定性。盡管機(jī)械手抓結(jié)構(gòu)是依據(jù)人體工程學(xué)相應(yīng)功能完成設(shè)計(jì)的，但是畢竟和人手動(dòng)作存在差異，要利用不同部件連接方式完成指定動(dòng)作。一方面，結(jié)合使用功能和機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)維持傳遞的規(guī)范性。另一方面，能匹配電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)兩岸結(jié)構(gòu)，滿足抓取和放下功能需求。

2.4.3 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)單元

結(jié)合相關(guān)內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求可知，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置是電動(dòng)模式，其質(zhì)量直接影響機(jī)械手的搬運(yùn)效率和質(zhì)量，因此，要結(jié)合指令要求完善其設(shè)計(jì)內(nèi)容，確保指令操作匹配度符合預(yù)期。若是電動(dòng)推桿的推力不足，機(jī)械手就不能完成相應(yīng)的搬運(yùn)作業(yè)，若是推力較大，則會(huì)消耗過(guò)多的資源，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)也會(huì)提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。綜上所述，要選取合適的電動(dòng)推桿，保證其最大推力能在貨物最大負(fù)載力以上?；诖耍疚倪x取24V，空載為200mm/s的手臂電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)。

在明確工藝整體流程的同時(shí)，調(diào)控各個(gè)模塊信息，維持工藝流程的同時(shí)，優(yōu)化其操作質(zhì)量。整體設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖2：

3.1 PLC控制電路

3.1.1 PLC直接控制電動(dòng)推桿

在機(jī)械手臂應(yīng)用過(guò)程中，電動(dòng)推桿具有非常重要的作用，主要是負(fù)責(zé)手臂抓取和驅(qū)動(dòng)處理，在導(dǎo)通對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)后，機(jī)械手臂就會(huì)在推桿電機(jī)的作用下接通電流，此時(shí)，電動(dòng)推桿形成收縮趨勢(shì)，擺動(dòng)到固定的角度位置，這個(gè)動(dòng)作能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂移動(dòng)。另外，在導(dǎo)通其他特定節(jié)點(diǎn)后，機(jī)械手臂就能在電動(dòng)推桿電機(jī)的作用下形成收縮，然后建立抓手夾緊操作，循環(huán)重復(fù)就能維持控制效果。

3.1.2 PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)

若是機(jī)械手臂完成了貨物籃抓取操作作業(yè)，為了避免其移動(dòng)到其他位置，就要利用旋轉(zhuǎn)手臂維持其處于固定的位置區(qū)域，從而保證后續(xù)動(dòng)作的規(guī)范性。首先，建立CP1HPLC模塊，按照對(duì)應(yīng)的連接處理方式予以聯(lián)動(dòng)處理。其次，在發(fā)送脈沖指令到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器后，就要完成相應(yīng)的指令分析和信息處理。最后，供電給步進(jìn)電機(jī)，完成相應(yīng)作業(yè)操作。

3.1.3 PLC控制直流電機(jī)

在傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，運(yùn)輸貨物籃要匹配對(duì)應(yīng)的指令內(nèi)容，在機(jī)械手臂所處位置的光電傳感器感應(yīng)參數(shù)后，才能建立識(shí)別和處理系統(tǒng)，維持驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用規(guī)范性，并依據(jù)指定區(qū)域內(nèi)相應(yīng)指令標(biāo)準(zhǔn)完成操作。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

3.2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

主要包括電機(jī)端口配置單元、電機(jī)方向設(shè)置單元等，在初始化模塊處理過(guò)程中，和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊予以電氣連接，維持驅(qū)動(dòng)合理性，就能更好地提升脈沖信號(hào)的處理效果?；诖?，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的應(yīng)用目標(biāo)，要在掌握電平值的同時(shí)，結(jié)合細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置不同的細(xì)分模塊，以便于實(shí)時(shí)性了解驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

3.2.2 梯形加減速模塊

要依據(jù)定時(shí)器、步數(shù)計(jì)算器、開(kāi)關(guān)脈沖單元以及頻率單元等進(jìn)行全面分析，從而維持機(jī)械手搬運(yùn)工件自動(dòng)化系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的合理性。

總而言之，在機(jī)械手搬運(yùn)工件自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合總體設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用要求，強(qiáng)化對(duì)硬件、軟件的處理水平，匹配對(duì)應(yīng)型號(hào)的設(shè)備和軟件系統(tǒng)，也要結(jié)合PLC控制理念，保證控制體系總體工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容和參數(shù)模型等都能符合實(shí)際要求，從而提升參數(shù)處理效果，確保機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的流暢性，也為工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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