工业机械手的设计

摘 要：文章中主要讲述了在机械的实际操作过程中用来帮忙完成上下料的机械手的相关机械结构,并且以直流力矩电动机驱动的具有三自由度的工业机械手为实例研究了其控制系统的相关软、硬件的设计.

关 键 词：工业机械手；PLC控制；直流力矩电动机

【分类号】：TP241.2

目前,我国的科技发展迅速,加工制造行业也越来越趋向于自动化,在机械加工、机械制造行业已经普遍运用机械手来帮助完成工作,机械手大部分是用于自动安装及自动包装工作,还用来帮忙上下料这种高重复性的工作.PLC控制技术不断发展,使用其的益处越发明显,尤其是在控制系统的结构、是否可靠、是否灵活等方面都有其特有的优势,所以,现在的PLC控制技术已经普遍运用到自动化生产的控制工作中了,它可以帮助不同的机械完成自动化操控,下面文章中主要阐述了由PLC控制的工业机械手的系统的设计过程.

1机械手系统组成与工作原理

下面文章中主要以三自由度机械手为研究对象具体阐述工业机械手的设计,这种类型的机械手灵活、自由,能够对机械手的各个部位进行独立控制.机械手的设计结构大致是：机械手的腰关节主要是为了帮助机身在平面上实现旋转动作,此部位的驱动电机属于直流力矩电机,这一类型的电机结构属于齿轮减速传动结构,由于这种传动结构的构造简单,所以它工作起来的效率很高,并且准确度高.肩关节的主要结构是悬臂梁式的结构,工作原理是通过直流力矩电机带动涡轮副杆完成传动工作.肘关节的主要结构是摆动螺旋式的结构,这一关节的特点是比较稳定、构造简单.并且这一关节的电机也是直流力矩电机.

在实现以上三个关节活动的过程中,机械手采用的是电位器反馈的方式来完成对各关节运动位置的判断,电位器安装在腰关节驱动系统的末级齿轮中心轴同轴,肩关节蜗杆轴以及肘关节连接销轴同轴.其顺序控制形式是通过PLC电位控制来实现,比如要完成腰关节从静止位置到旋转一个设定的角度这个动作,PLC控制系统其通过输出电路驱动负责腰关节的直流力矩电机旋转从而带动该关节机械转动,到达设定的角度位置时候,电位器检测到该位置的反馈信号,PLC控制系统判断机械手已经完成了目标指令,其控制输出回路断电,驱动电机旋转停止,则腰关节正好到达程序命令的转动位置,则PLC自动进入下一步程序进行动作输出.

2控制系统硬件结构

根据上文提到的各关节动作控制完成方式可以看出,PLC控制系统的设计应包含输入电路、输出电路以及控制系统本身三个部分.

2.1输出电路

作为输出电路的执行部件,直流力矩电机在线性度以及反应速度方面具有其它电机无法比拟的优势,同时该类型电机也可以满足长期运行在低速甚至堵转的工作状态.

为了满足PLC对各关节动作的顺序控制,输出电路对电机控制通常采用开关控制的形式,只要使用符合控制要求的继电器输出型PLC,就能使用该PLC对直流电机进行直接的驱动,从而从电路设计角度就大大简化了控制系统的复杂程度,这种设计结构非常直接,PLC内部程序得到执行指令后,其设定用于控制动作输出的继电器线圈得点,相应串接在电机驱动回路的继电器触点OUT闭合,执行电机得电开始转动,带动执行元件按照设计的运动方式进行运动,直到接受到完成系统指令后,继电器触点OUT打开,电机驱动回路断开,电机停转等待下一个指令.如同常用电路一样,电机控制回路也可以通过桥式以及分级的接线方式来实现对电机正反转和顺序控制.

2.2输入电路

PLC控制系统的输入量IN直接取自安装在机械手各个关节的电位器,电位器的安装位置需要根据规定的机械手动作范围来设定,当机械手的动作范围到达设定的某个位置时,对应位置的电位器其输出的模拟电压信号直接反馈给PLC控制系统,PLC通过比较给定位置的电位与接受到位置电位的大小来判断,当达到设定值时,PLC内部程序驱动相应结点的输出电路动作,来实现该指令执行的完毕,从而转入下一指令.IN点的内部设有光电耦合电路,来实现内外部强电弱电的隔离.一旦活动关节在执行指令时候电位器返回的信号与设定的范围比较失败,则程序自动判断执行失败,该关节返回到初始位置后,该程序重新被执行,这种回路的设计从硬件层面保护了机械部件,避免电机将执行机构错误的拖入不应该的位置而造成设备损坏.

2.3选择PLC

在确定了控制系统的外部输入输出电路之后,接下来就可以进行输入输出方式的设计阶段,决定PLC选型的主要参数就是满足输入输出方式所需要的输入点、输出点、内部用于延时的时间继电器数量.在本次的PLC选型的过程中,考虑到这种机械手有12个输入点,9个输出点以及7个用于延时的时间继电器,综合考虑到造价成本以及后续拓展需要,方案选择日本欧姆龙公司生产OMRON-C28P型PLC.这种PLC完全能满足三自由度工业机械手的顺序控制要求.

3控制系统软件设计

控制系统的软件设计按照以下六步的顺序进行：1）确定系统顺序控制次序及功能；2）制定输入输出分配表；3）建立适合系统的控制关系；4）绘制梯形逻辑分析图；5）编译代码程序；6）通过终端输入到PLC主机.

PLC顺序控制系统软件必须满足以下三个原则：1）系统总开关闭合时,各关节部分分别复位回到各自的初始位置,之后开始执行顺序动作命令；2）当各关节运动到上限或下限位置时,在接近设定动作位置时电机要有减速过程,同时在到达位置后执行机构停止1秒后才能进入到下一个动作过程；3）系统总开关断开,全部动作停止,在原位置待命.

4结语

基于PLC控制的工业机械手不仅能够实现三自由度机械手各关节独立以及整体运动,完成生产线上下料的自动循环,同时综合控制系统还能完成多个机械手之间的协同配合,从而完成料物的连续搬运.同时该系统在运行过程中,也可以根据实际需要进行操作指令调整,满足了系统对实际应用的需要,维护简单.

【参考文献】

[1]高钟毓.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社1997.

[2]孙兵,赵斌,施永辉..基于PLC的机械手混合驱动控制[J].液压与气动,2005