基于PLC的坐標式機械手的設計

吳軍　鄭小軍

【摘 要】根據薄板類工件自動上下料的功能需求，設計了一套三坐標式機械手裝置。其主要硬件機構為三軸執行機構、氣動指狀抓手、控制系統、步進驅動器等。并利用西門子可編程軟件完成了系統使能啟動、手動控制、準停輸出等功能程序的編制。該裝置的設計及應用將提將大大降低操作人員的勞動強度，提高產品的生產效率和精度。

【關鍵詞】PLC；坐標式；抓手；直線模組

0 引言

隨著國家經濟的迅猛發展，人民生活水平日益提高，相應的企業用工成本與日益萎縮的效益儼然成為了當前各制造行業的重要矛盾。為了緩解這種矛盾，國家提出了傳統制造產業必須轉型升級，相關領域需向工業自動化、智能制造等高科技高附加值方向轉變。因此，“機器換人”等戰略實施方案已在國內悄然興起。

本文設計了一種簡易型坐標式機械手，用以替代傳統人工操作，可用較低成本實現企業用工成本的降低。極大提高了設備生產效率、降低了因人力因素帶來的生產困擾。

1 總體設計方案

本機械手總體功能為：（1）實現X軸向的正負移動；（2）實現Y軸向的正負移動；（3）實現Z軸的正負移動；（4）氣動抓手能平穩緊固的抓取薄板類工件。其主體部件為執行X、Y、Z軸方向搬運的直線模組以及執行工件抓取的氣動抓手。其總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 坐標式機械手示意圖

2 硬件設計及選型

2.1 X、Y、Z軸執行機構

坐標式機械手送料機構承擔著取料、送料、加工定位的功能。其三軸（X＼Y＼Z）可采用直線模組形式進行直接搭配，也可采用滾珠絲杠搭配直線導軌進行自定義安裝。其中直線模組尺寸規格較為緊湊，無法進行大跨距拼接，而滾珠絲杠配合直線導軌則可按自定義尺寸進行搭接，配合同步帶輪工作后其可操作范圍更廣。圖2為市場上較為通用的直線模組。該模組由57步進電機和絲杠、導軌等組成。

2.2 夾持機構設計和選用

由于被抓零件為薄板類工件，本機械手宜選用指裝機械結構。同時考慮到該裝置的穩定性，故采用MHC2-20D氣動指狀抓手，如圖3所示。

2.3 控制系統

本裝置的控制系統采用西門子ST60可編程控制器。利用該PLC控制器的輸出端口控制步進驅動器，從而達到控制57步進電機的轉速和距離，最終實現坐標式機械手空間三軸移動。

2.4 步進驅動器

步進驅動器是驅動步進電機工作的必備裝置。本裝置將采用雷賽M542步進驅動裝置。為防止干擾，所有接線均采用雙絞線屏蔽電纜線。如圖5所示。

2.5 變壓器

由于設備整體供電采用220V交流民用電，而控制系統中的可編程控制器和步進驅動裝置均采用24V直流電源輸入。因此，本裝置還得外接220V交轉直流24V變壓器。如圖6所示。

2.6 氣源

由于夾持機構采用氣動指狀抓手，因此本裝置還需增設0.8MPa壓力的無油靜音壓縮機一臺。

3 PLC控制程序

根據產品加工需要，特針對本裝置設定了相關控制程序。（1）使能啟動程序；（2）手動控制程序（3）定位輸出程序。

使能啟動程序為X、Y、Z軸的功能激活模塊，其程序如圖7所示：

如設備需進行各軸的手動移位控制，則需編制手動控制程序，如圖8所示：

為了保證設備的準確定位，可通過GOTO功能模塊實現設備的準停功能，如圖9所示：

4 結論

根據設備的功能需求，本裝置設計了并選配了相關裝置：（1）X、Y、Z軸執行機構（2）夾持機構（3）控制系統（4）步進驅動裝置（5）變壓器等。本工作站采用西門子可編程自動控制器進行控制，實現了三軸空間移動，能較好的完成相關工廠任務。

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