基于PLC控制的裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)

袁云，劉煒

（江蘇省洪澤中等專業(yè)學(xué)校，江蘇淮安，223100）

1 基于PLC控制的裝配機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

通常情況下，機(jī)器人主要由以下三部分組成：控制部分是機(jī)器人的核心組成部分，其主要功能是接收和發(fā)送信號(hào)、協(xié)調(diào)各個(gè)部分功能，控制部分的設(shè)計(jì)直接影響著機(jī)器人的操作精度和靈敏度；傳感部分的主要功能是用于反饋機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)及位置，其運(yùn)行載體是紅外傳感器，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中利用多個(gè)紅外傳感器檢測(cè)信息，并將其感受到信息遵循一定的規(guī)律和要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需的電信號(hào)或其他形式信號(hào)，從而滿足機(jī)器人系統(tǒng)中信息的存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)化、控制等多方面需求；機(jī)械部分是裝配機(jī)器人實(shí)現(xiàn)抓取、旋轉(zhuǎn)等功能的關(guān)鍵，機(jī)械力學(xué)為機(jī)械部分的設(shè)計(jì)提供了豐富的理論依據(jù)。圖1為本文所提出的基于PLC控制的裝配機(jī)器人總體設(shè)計(jì)。

圖1 基于PLC控制裝配機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

其中，以PLC控制器作為裝配機(jī)器人的控制部分，在裝配機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，利用PLC控制器對(duì)伺服電機(jī)下命令，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)、抓取等功能。此外，機(jī)器人還可以利用Wifi模塊連接控制面板，便于工作人員通過(guò)觸控面板，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的監(jiān)控、操作和干預(yù)等諸多功能。

2 基于PLC控制的裝配機(jī)器人中機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1 裝配機(jī)器人中抬升部分設(shè)計(jì)

在抬升部分設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們使用的材料是電動(dòng)機(jī)（1部）、升降板（1 個(gè)）、軸（1 根）、輪槽（4 個(gè)）、導(dǎo)軌槽（2 條）、鋼索（2條）等。首先將2個(gè)輪槽利用軸連接的電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就能帶動(dòng)輪槽進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。接著在保持一定間距的基礎(chǔ)上，將另外2個(gè)輪槽安裝到機(jī)體頂部，為升降板與鋼索的連接提供有力支撐。然后，將2條鋼索焊接到升降板的頂部。為了給升降板提供一個(gè)固定運(yùn)動(dòng)的支撐，我們將升降板嵌入到導(dǎo)軌槽中，將電動(dòng)機(jī)兩邊的輪槽連接到鋼索上，依靠物理拉升力抬升車(chē)架。

圖2 裝配機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 裝配機(jī)器人中夾取部分設(shè)計(jì)

在裝配機(jī)器人中夾取部分的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們使用的材料是電動(dòng)機(jī)（1 部）、夾子（2 個(gè)）、軸（2 根）、齒輪（3 個(gè)）。如圖所示。首先，將1個(gè)齒輪安裝在電動(dòng)機(jī)上，并與2根軸相匹配，接著將軸安裝到夾子上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，2個(gè)夾子張開(kāi)饒軸轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，2個(gè)夾子閉合抓住物件。

圖3 裝配機(jī)器人中夾取部分設(shè)計(jì)

2.3 裝配機(jī)器人中旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)

在裝配機(jī)器人旋轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們使用的材料是軸（1根）和電動(dòng)機(jī)（1部）。首先在升降板上鉆一小孔，小孔大小與軸大小保持一致，并將軸穿過(guò)小孔，值得注意的是在鉆孔時(shí)要留有一定的間隙以確保軸在穿過(guò)小孔后還能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；接著將電動(dòng)機(jī)安裝在軸的一端上，并固定在升降板上；然后將機(jī)械爪的后部與軸的一端焊接起來(lái)，這樣當(dāng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，就能帶動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)軸上的機(jī)械爪也進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而完成了旋轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)。

3 基于PLC控制的裝配機(jī)器人中控制部分設(shè)計(jì)

裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)，需要保證裝配精度的前提下，在指定的時(shí)間內(nèi)完成裝配工作，同時(shí)，還需要滿足一些特殊的要求，以確保控制系統(tǒng)的安全性、通信設(shè)備的可靠性、人工操作的簡(jiǎn)便性。本文所設(shè)計(jì)的基于PLC控制的裝配機(jī)器人，是在傳統(tǒng)機(jī)器人基礎(chǔ)上增添了“翻轉(zhuǎn)”功能，對(duì)于控制系統(tǒng)的處理上，主要采用PLC在伺服電機(jī)上的應(yīng)用，其中，伺服電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行部分。同時(shí)，在裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)中增添了紅外傳感模塊，其主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位和監(jiān)控。當(dāng)工作人員利用觸控面板下達(dá)裝配機(jī)器人運(yùn)行指令后，Wifi模塊將指令信號(hào)發(fā)送給PLC控制器，并利用紅外傳感模塊對(duì)伺服機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初始化和實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于在本文設(shè)計(jì)中，我們?cè)谘b配機(jī)器人的機(jī)械爪和機(jī)架上配備了多臺(tái)紅外傳感器，所以，紅外傳感器一旦檢測(cè)的車(chē)架進(jìn)入后，就會(huì)發(fā)送信號(hào)給PLC控制器，在經(jīng)過(guò)程序梯度圖計(jì)算之后，就會(huì)發(fā)送升起、下降的命令給抬升伺服電機(jī)，在接收到指令后，伺服電機(jī)開(kāi)始正反轉(zhuǎn)；紅外傳感器一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)械爪與車(chē)架對(duì)齊時(shí)，就會(huì)將車(chē)架相關(guān)信息反饋給PLC控制器，開(kāi)啟伸縮伺服電機(jī)，按照機(jī)械爪的前進(jìn)或后退指令進(jìn)行操作；發(fā)現(xiàn)機(jī)械爪觸碰到車(chē)架時(shí)，將車(chē)架相關(guān)信息反饋給PLC控制器，開(kāi)啟抓取伺服電機(jī)，按照抓取指令進(jìn)行操作；發(fā)現(xiàn)抓取伺服電機(jī)抓取到車(chē)架后，將車(chē)架相關(guān)信息反饋給PLC控制器，PLC控制器根據(jù)信號(hào)反饋情況，開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)指令進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。此外，工作人員利用觸控面板可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配機(jī)器人整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就可以直接通過(guò)Wifi模塊將停止指令發(fā)送給PLC控制器，若沒(méi)有問(wèn)題，裝配機(jī)器人將會(huì)按照上述過(guò)程進(jìn)行循環(huán)操作，從而可以完成一個(gè)流水線生產(chǎn)的自動(dòng)化工作流程。

3.1 裝配機(jī)器人的自檢過(guò)程

當(dāng)基于PLC控制的裝配機(jī)器人接通220V/380V的電源之后，機(jī)器人的自檢功能自動(dòng)開(kāi)啟，在這一過(guò)程中，紅外傳感器與PLC控制器保持通信狀態(tài)，PLC控制器同時(shí)發(fā)送指令給抬升、抓取、伸縮和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)。接著，紅外傳感器將升降板位置信息和機(jī)械爪的初始狀態(tài)反饋給PLC控制器，PLC控制器在經(jīng)過(guò)程序梯度圖計(jì)算之后，將相關(guān)信息發(fā)送給伺服電機(jī)，當(dāng)伺服電機(jī)接收到PLC控制器發(fā)送的指令后，就自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到指令的坐標(biāo)，開(kāi)始自檢工作，自檢結(jié)束后，等待紅外傳感器對(duì)車(chē)架信息的反饋，執(zhí)行相應(yīng)的指令。

3.2 裝配機(jī)器人的運(yùn)行過(guò)程

當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到車(chē)架進(jìn)入工作區(qū)間后，將車(chē)架相關(guān)信息反饋給PLC控制去，PLC控制器控制抬升伺服電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，在此過(guò)程中，抬升伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼索運(yùn)行，使得升降板下降，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到升降板與車(chē)架平行時(shí)，就會(huì)信息反饋給PLC控制器，PLC控制器發(fā)送指令使得抬升伺服機(jī)停止工作；同時(shí)PLC控制器控制伸縮伺服電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，在此過(guò)程中，伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械爪向前運(yùn)行，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到機(jī)械爪內(nèi)側(cè)碰撞到車(chē)架時(shí)，就會(huì)發(fā)送信息給PLC控制器，從而使得伸縮伺服機(jī)停止工作，同時(shí)，PLC控制器控制抓取伺服機(jī)正轉(zhuǎn)。

在本文所設(shè)計(jì)的基于PLC控制的裝配機(jī)器人中，為了避免因?yàn)闄C(jī)械爪對(duì)車(chē)架壓力過(guò)大而造成的安全隱患，所以，我們?cè)黾恿恕皦毫鞲衅鳌?。利用壓力傳感器?duì)機(jī)械爪對(duì)車(chē)架的壓力進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)壓力值超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，傳感器就會(huì)將壓力值信息反饋給PLC控制器，PLC控制器發(fā)送指令使得抓取伺服電機(jī)停止工作，然后接通抬升伺服電機(jī)，抬升伺服電機(jī)收到指令后開(kāi)始反轉(zhuǎn)，拉緊鋼索帶動(dòng)升降板開(kāi)始進(jìn)行上升運(yùn)動(dòng)，于是帶動(dòng)車(chē)架離開(kāi)地面。緊接著PLC控制器給旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通電，旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)，同時(shí)開(kāi)始緩慢的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度逐漸地從15°變?yōu)?60°，當(dāng)?shù)竭_(dá)360°度時(shí)，旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)停止工作；最后，再次接通抬升伺服電機(jī)，抬升伺服電機(jī)收到指令后開(kāi)始正轉(zhuǎn)帶動(dòng)車(chē)架運(yùn)動(dòng)，將其放回到地面，

結(jié)束裝配工作后，抓取伺服電機(jī)、伸縮伺服電機(jī)和抬升伺服電機(jī)同時(shí)開(kāi)始運(yùn)行，但卻以不同的運(yùn)行速度發(fā)回到各自的初始位置，從而結(jié)束了整個(gè)工作流程。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于PLC控制的一種新型翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人，在設(shè)計(jì)中增加多個(gè)紅外線傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到車(chē)架的相關(guān)信息后，便反饋給PLC控制器，進(jìn)而控制抬升伺服電機(jī)、伸縮伺服電機(jī)、抓取伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)進(jìn)行工作?？梢院芎玫貪M足不同車(chē)型、不同角度的加工需求，協(xié)助工作人員進(jìn)行裝配、拆卸等工作，通過(guò)改變裝配機(jī)器人的軟硬件環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人任意角度的控制，從而能夠有效避免傳統(tǒng)裝配機(jī)器人因鎖鏈吊轉(zhuǎn)車(chē)架和地溝作業(yè)等問(wèn)題而帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，工作人員利用觸控面板和Wifi通信模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)地裝配機(jī)器人整個(gè)工作過(guò)程的監(jiān)控與管理，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和理論意義。但在本文的設(shè)計(jì)中依然存在幾個(gè)方面需要進(jìn)一步的完善與深入探索：第一，裝配機(jī)器人的機(jī)體雖然采用了鏤空的結(jié)構(gòu)，但是整個(gè)機(jī)體卻仍然比較笨重，靈活性和輕便性不夠，還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，減輕機(jī)體的重量；第二，在裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，對(duì)于各項(xiàng)材料需精心選擇，尤其是對(duì)機(jī)械爪、升降板等材料，由于受到較大的重量，所以既要考慮其堅(jiān)韌度、伸縮性等方面性質(zhì)，又要考慮其成本價(jià)格，降低裝配機(jī)器人制造成本，有利于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。