基于PLC的上下料機械手設計探析

劉歷 杜勇

新巴爾虎右旗榮達礦業有限責任公司，內蒙古呼倫貝爾，021300

摘 要：近年來，隨著工業自動化的不斷發展和用人成本的增加，礦山生產中的上下料正向機械化、自動化轉型。機械手精度高、動作迅速、可長時間作業的特征正被礦山企業應用到上下料的生產中，提高了生產效率。本文討論了上下料機械手的設計方案，確定了基于PLC控制的機械手的關鍵參數，在明確控制方案的前提下，設計了機械手控制系統的硬件和軟件，為PLC控制機械手在上下料生產中的應用提供了理論支撐。

關鍵詞：機械手；PLC；ADAMS；上下料；自動化

引言

機械手是在工業生產中較為常見的自動化設備，它通過模仿人的手臂，按照設定的路徑等參數進行物件的抓取、搬運和其他操作。它主要包括執行機構、驅動機構和控制系統三大部分，控制系統一般采用DSP、單片機、PLC等芯片，時時控制各電機運動；驅動機構主要包括各種電機；執行機構主要是仿生手臂用來進行相關的操作。由于要進行較為復雜的操作需要多關節進行協同，所以多自由度機械的控制是基礎，一般采用六自由度或四自由度的結構，自由度越多，其靈活性越大、操作范圍越廣。

自動上下料操作是指在工廠和數控加工中周期性的給機器和機床上下料。由于此項操作重復性強、危險性高、工作強度大，已經不再適合手工操作，于是自動化的機械手取而代之。機械手可以快速準確地長時間作業，定位精度高，環境適應性很好，尤其是其抓舉運輸可以超過人力很多，便于工業生產，所以對機械手進行研究并使其應用到上下料生產中十分必要。

1總體設計

機械手的設計方案如圖1所示，該方案主要由HMI、PLC、驅動系統及機械手本體四個部分組成。

1.1機械結構設計方案

機械手的機械結構較為復雜，需要確定機械手自由度、行程和速度參數，電機選型和各軸的轉動方式。

之所以為機械手添加6自由度，是為了保證機械手可以抵達任意位置，其中位置自由度3個，姿態自由度3個。通過簡化分析，滿足基本的上下料操作，機械手設計包括4軸4自由度，分別是X軸、Y軸、Z軸和RZ軸。機械手的結構示意圖如圖2所示：機械手沿X軸進行水平方向的左右移動；沿Y軸進行水平方向的前后移動；沿Z后軸進行豎直方向移動；沿RZ軸可繞Z軸旋轉。

機械手的運動需要電機進行驅動，它的主要動作特性與電機參數息息相關，所以對于電機的選型是必要的。一般而言，電氣式機械手常用的電機類型有伺服電機和步進電機。為使機械手能夠快速移動，要求軸電機的額定轉速要高，額定輸出轉矩還應較大。因此，X、Y、Z軸常選用伺服電機。但是對于RZ軸，由于其負載較小，精度要求較高，所以可以選擇簡單實用的步進電機。

電機驅動的傳動方式有多種，常見的機械手傳動方式包括同步帶傳動、滾珠絲桿傳動和齒輪齒條傳動。其中同步帶傳動應用較多，其簡單易用，保養方便；滾珠絲桿傳動由于精度高、噪音低，常用于高精度的傳動場合；齒輪齒條傳動的特點是動力足、壽命長，但是噪音較大。綜合以上多種傳動方式，從精度要求和成本考慮，本文設計的機械手的X軸和Y軸采用同步帶傳動，Z軸采用齒輪齒條傳動。

1.2控制系統設計方案

機械手的控制系統設計方案如圖3所示，HMI與PLC進行數據交換，向PLC傳送數據和運動控制命令的同時接收傳回的數據，并進行時時顯示。

2機械手關鍵參數設定

綜合評價機械手的行動能力將以最大速度、負載能力、位置偏差閾值等參數為標準，這就需要確定電機的額定轉速、電機的額定轉矩、減速器的減速比、同步帶輪節徑等。由于機械手X軸的受力最為復雜，現以X軸為例來詳細分析關鍵參數的設定過程，隨后可用相同的方法確定其他軸的參數。

首先根據經驗選擇一個伺服電機，經計算滿足設計要求后，進行下一處電機的確定。首先畫出X軸的示意圖，如圖4所示。通過分析，可以計算出X軸負載的轉動慣量JL，X軸最大移動速度Vmax，機械手加速過程中電機的最大輸出扭矩Tmax等參數。

3控制系統硬件設計

機械手控制系統的硬件設計主要包括X軸、Y軸、Z軸伺服驅動器的選擇、RZ軸步進驅動器的選擇、PLC及擴展單元的選擇等硬件的設計，由于篇幅所限，只以PLC的選擇為例進行說明。

PLC是可編程邏輯控制器，通過數字或模擬輸入輸出控制整個機械生產過程。上下料機械手需要控制3個伺服電機和1個步進電機，所以PLC選型時應具有4路高速脈沖輸出功能。

本例選擇CP1H-Y20DT-D型PLC作為機械手的控制器。根據控制要求給各個控制對象分配IO地址，這樣便于PLC尋址和精確控制被控對象。由于各個軸上具有光電開關、減速器等裝置，需要對其進行IO地址的分配。當上下料開始時，PLC輸出數字信號令錠床開始加工，當銳床加工結束后，PLC收到信號，繼而進行下料操作。

4控制系統軟件設計

PLC的高速計數器功能和串口功能都將被實用，所以應先編程設置PLC，如圖5所示。

在設置完PLC具體參數后，需要明確機械手的上下料過程即取料、上料及下料階段，通過圖6表示機械手上下料全過程。

機械手先從原點P0向P1點運動，當到達P1點后機械手松開，向下運動到P2點，夾爪閉合抓取工件后回到P1點；機械手夾持著工件向P3點運動，在P3點向下運動至P4上料，然后機械手運動到P3點，再運動到P5點，機械手給銑床上料完成；當加工完成后，機械手經過P6-P7-P6-P8等點的操作后，完成下料，并將工件放置在傳送帶上；最后其運動回P0點循環進行下一輪操作。

控制程序方案包括回原點、示教、軌跡規劃和軌跡執行四個部分。回原點操作意在令機械手上料后或者上下料結束后回到其坐標原點；示教是示教出空間上的坐標點，并存儲到PLC的內存區；軌跡規劃是指定軌跡上的點與示教庫中點的關系，通過軟件實現軌跡與示教庫信息的吻合，保證運動精度；軌跡執行部分用來設置運動時的軌跡的編號、減速比、時間量等參數。

5結語

本文設計了基于PLC控制的機械手，確定了機械收的結構設計方案，分析了機械手三個軸的關鍵參數，明確了機械手控制系統硬件部分的元器件選型，提出了上下料過程中的控制程序基本思路，明確了回原點、示教、軌跡規劃以及軌跡執行等程序方案。相信隨著自動化領域的不斷進步，基于PLC控制的機械手將會在精確度等方面實現新的突破，廣泛應用于現代化工廠的上下料生產中，逐漸代替人工操作。

參考文獻：

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作者簡介：

劉歷/男/1984年生/云南龍陵人/本科/助理工程師/研究方向為有色礦山電氣