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关于PLC控制的工业机械手的设计

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  【摘 要】笔者结合自身的实际工作经验,设计出一款基于PLC的多自由度机械手。在文中,笔者对系统重要的元件的选型设计,系统的硬件设计和软件设计这几个方面进行了详细阐述。笔者通过此次设计,一方面给广大同仁提供了一定的参考价值和借鉴意义,另一方面对于提高生产效率,加快电气机械自动化的步伐起到关键作用。
  【关键词】PLC 控制 工业机械手 软件设计
  在生产制造和其他工业领域,作业人员在生产过程中会面临多种生产环境,如高温、腐蚀、有毒气体等,处于这种环境的人员会有生命危险,而且难度增加,额度增强,影响工作效率。基于以上情况,人类发明并设计出一种代替人工的机械手,它是工业机器人的关键部件之一,是它的执行机构[1]。
  可编程控制器(PLC)是专门为工业应用设计的利用数字运算操作的电子装置。它具有可靠性高、功能强大、编程简单、友好的人机交互界面等特点,广泛应用于工业控制系统中[2]。
  本文的设计侧重气动机械手,此机械手主要目的是生产过程中实现上料和下料等的加工任务,机械手具有九个自由度,根据机械手结构进行程序的设计实现搬运控制,达到提高生产率的目的。
  1 机械手控制系统组成
  机械手主要由执行机构、气动驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。系统控制方框图1所示。
  图1 机械手组成控制原理方框图
  机械手臂、手腕、立柱等部件属于执行机构,有的还可以进行行走;气动驱动主要是用气体压力来实现调节运动装置的功能。控制系统按照其具体执行要求进行运动系统的设定。
  2 机械手控制设计方案
  气动机械手的基本要求是实现快、稳、准。要求能够快速、准确的拾放和搬运物件,要具有比较高的精度,反应较快,承载能力要强,而且要有足够的空间、灵活的自由度以及自动定位于任意位置等特点。
  2.1手部结构方案设计
  鉴于机械手的通用性,故把机械手手部结构设计成可更换性,使用夹持式手部夹取棒料,使用气流负压式吸盘吸取板料[3]。
  2.2手腕结构方案设计
  基于机械手要具有通用性,且被抓取的工件是水平放置的,所以,手腕要设有回转运动才可以满足工作的需求。所以,手腕设计成回转结构,由回转气缸来驱动手腕进行回转运动。
  2.3手臂结构方案设计
  根据抓取工件的要求,本次设计的机械手的手臂需要设有五个自由度,包括手臂的左右回转、手臂的伸缩、手臂的升降、立柱的横向移动以及上下摆动。手臂的回转和升降是由立柱来实现的,立柱的横向移动也就是手臂的横移,手臂的各种运动都是由气缸来驱动实现的。
  3 机械手的控制方式选择
  为了增强机械手的通用性,同时有采用点位控制,所以,我们采用可编程控制器(PLC)来控制机械手的运动。我们只需要改变PLC程序,就可以改变机械手的动作流程,使用起来非常方便。
  4 机械手程序设计
  自动线的间隔运输功能一般是通过步进电动机来进行带动从而实现,按照输送的具体要求进行设计,从而实现目的。它工作的整个过程为:首先机械手会在初始的位置,然后通过连续动作将传送带上面的工件取走,这时,传送带上面设置的光电检测开会进行自动检测到工件已经被取走,从而传送带会继续开始运转,当光电检测到下一个工件的出现,传送带会停止以便等待机械手过来取走工件,只要工件被机械手取走,传送带就会继续开始运转,这样循环,这种的设计可以节省时间,不会出现机械手不会出现等待传输带运送的情况。这种设计程序要求有:
  (1)在开始启动的时候,机械手要自动能复原到初始位置;
  (2)机械手在工作前要进行检测,检测机械手的每个动作之间相隔的时间,进行定时监控,如果超出运行时间认定为机械手会出故障,机械手进行一次空运行检查;
  (3)机械手需要设定紧急停止按钮,当然这个按钮一般情况下是不可以实用的,只有紧急情况出现才能启动此按钮。当此按钮被按下时,储气罐和汽缸之间的联系就会被切断,汽缸就不会再有动力来源。
  5 结语
  总之,这样的程序设计是针对气动通用的机械手,和专业的机械手相比,通用的机械手自由可变度更高,而且相关的控制程序可以根据需要进行调节,因此通用机械手的使用范围更加广泛。气动驱动的优势在于定位准确,动作迅速,可控性好,能够适应各种恶劣环境,传动性能和控制性能不受环境影响。阻力损失和泄漏较小,不会污染环境。同时成本低廉。而且采用PLC控制,可靠性高、可编程性强,无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制,都可通过设定PLC程序来实现,可以根据机械手的动作顺序修改程序,使机械手的通用性更强,本次设计的机械手很好地适应了工业控制的要求。
  参考文献:
  [1]王红梅.基于PLC与数控机床联合控制的气动机械手[J].液压与气动,2011(10):23-27.
  [2]李建国.基于PLC的气动机械手的改装设计[J].液压与气动,2011(8):34-35.
  [3]关明.周希伦.马立静.宋蔚基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化,2012(14):23-25.
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