基于PLC控制的智能機械手的設計

蘇曉丹

摘要：本文針對PLC控制技術的工作原理和主要構成展開分析，通過研究自由度及坐標形式、動作順序的確定、手部結構的設計、手部夾緊力計算、伸縮夾緊缸選擇、升降缸的選取、回轉缸的選用、液壓系統設計、PLC程序編制、1/0 地址分配、液晶顯示屏設計等要點，其目的在于提升智能機械手設計水平，提高機械手工作狀態的穩定性。

關鍵詞：PLC控制技術;智能機械手;動作順序;坐標形式;伸縮夾緊缸

0 ?引言

在社會經濟水平快速提升的背景下，人們對于產品質量和功能性有了新的要求，那么在生產過程中只是依靠人力已經很難滿足市場需求。智能機械手的出現，不僅解放了勞動力，加快了產品的生產速度，而且機械手按照既定程序進行操作，產品的精準度也有了實質上的提升。PLC控制技術作為當下應用體系比較成熟的技術內容，通過將其應用到智能機械手設計過程中，對于進一步優化智能機械手性能有著積極地意義。

1 ?PLC控制技術相關內容論述

1.1 工作原理

PLC（可編程邏輯控制器）技術是依托于數字化技術與其他存儲系統來完成數據信息采集、分析、存儲等過程的科學手段。在智能機械手工作過程中，PLC技術主要的工作任務是進行數據信息分析和存儲，在遇到相關性問題之后，可以及時通過系統來獲取到所需要的相關信息，從而起到輔助工程順利推進的作用。在具體應用過程中，首先，可以借助系統中的傳感設備來完成數據信息采集的作用，并且在接收數據信息的同時還會對相應信息進行預處理，即對數據信息進行分類、篩選等操作。其次，完成初步整理的數據信息會依托于網絡開始傳輸，在傳遞到主單元結構之后，主系統會對其進行評價，結合評價結果下達相應的控制指令，在執行單元完成控制之后，又會反饋到主系統當中，確定其沒有問題之后，完成一組指令操作。最后，存儲系統會對相關的數據信息進行整理存儲，同時還會對結構進行關鍵詞設置，便于后續系統法信息的調取，提高相關數據信息的應用價值。

1.2 主要構成

PLC控制技術作為應用體系比較完善的技術體系，具備較強的適應性和功能性。在實際應用中，該技術由許多的模塊結構組成，具體內容如下：

①電源模塊，工作是提供整個系統運行時的所需動力，該模塊至少由兩組電源組成，一組為常規電源，作為主電源，另一組為UPS電源，作為備用電源。

②存儲模塊，其工作內容是對目前系統的運行數據參數進行采集、整理，為智慧體系的建立提供數據支持。目前云存儲技術已經逐漸成熟，這也成為了信息存儲模塊的新載體。

③信息采集處理模塊，該模塊是對運行數據進行收集的系統，其主要的工作內容是進行信息收集、分類、匯總等工作，從而提升數據信息內容的可靠性。

④數據傳輸模塊，主要工作是進行數據信息傳遞、接收等操作的工作模塊，也是串聯其他模塊的重要載體，為后續工作的穩定推進奠定基礎。

2 ?基于PLC控制的智能機械手設計要點

2.1 自由度及坐標形式

所謂機械自由度主要是指，機械手整體結構可以進行獨立活動的范圍。智能機械手本身的靈活度相對較高，那么在PLC技術的幫助下，其自由度可以得到進一步提升，從而順利的完成伸縮夾緊、機械升降、回轉等操作。坐標形式是進行PLC控制時，用來輔助機械手順利完成指令的運動軌跡。在具體的應用階段，常用的坐標形式有直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和多關節式，以直角坐標式為例，其主要用來輔助機械手完成平移、升降等直線操作，縮短了機械手的操作距離。

2.2 動作順序的確定

智能機械手的工作過程自由度相對較大，但是也會有一套操作程序來圈定其工作范圍，以此來確保結構工作狀態的穩定性。在具體的設計過程中，應將其設計成遵循“伸長→夾緊→機身上升→機身旋轉→松手→機械手回縮→機身降低→機身回轉→待機狀態”的程序流程，并且在工作階段可以根據PLC控制技術的調整指令，靈活進行變動，以此來提升機械手工作階段的自由度和靈活性[1]。

2.3 手部結構的設計

在智能機械手的設計過程中，手部結構設計屬于非常重要的環節，這也決定了機械手能否順利完成抓取動作。在具體的設計中，常用的手部結構設計形式包括以下兩種：

第一，夾鉗式手部結構，在工業生產中，常用的夾鉗式手指為兩指夾鉗式，對于一些特殊性較強的產品，如易碎品，則會使用三指夾鉗來提高操作過程的穩定性。此類結構適用于形狀比較突出、具備一定高度的產品，一般不用于曲線型產品抓取[2]。

第二，吸盤式手部結構，即手部結構制作為類似于吸盤的結構，借助電磁原理來實現構件的取放。在具體選擇中，需結合實際情況進行篩選，從而提高手部結構設計的可靠性。

2.4 手部夾緊力計算

為了確保結構夾緊時力度的合適性，在智能機械手設計階段，還需要對手部夾緊力進行計算，從而在不傷害構件的基礎上，順利完成構件的傳遞工作。在具體的計算過程中，主要應用到以下公式N=aP/2b。其中N表示智能機械手的夾緊力;P表示機械手活塞桿提供的驅動力;a表示機械手手指從回轉支點回到對稱中心的距離;b表示機械手手指從回轉支點回到鉗口中心線位置的垂直距離。而PLC控制技術在此環節則用于靈活調整各項參數，使其可以適用于不同的零件抓取要求[3]。

2.5 伸縮夾緊缸選擇

在伸縮夾緊缸的選擇過程中，需要根據手部夾緊力計算結果來完成篩選。在具體的設計過程中，可以通過查詢相應表格數據來得到伸縮夾緊缸需要滿足的最小數值，這也是幫助企業節約選擇成本的重要途徑[4]。但是在具體選擇中，也需要考慮到工件的自重，部分工件的重量相對較大，那么為了確保所選結構的適用性，也需要適當提高伸縮夾緊缸的參數。并且還需要在結構的受力方向添加一個導桿結構，和在伸縮夾緊缸下方安裝配重，重量結合實際來進行選擇，從而提高作業過程的穩定性。

2.6 升降缸的選取

在升降的選擇過程中，也需要根據手部夾緊力計算結果來完成篩選。在具體的設計過程中，常用的方式便是查詢參數對應表格，從而參數的允許值，確定結構的合理范圍。同時在選擇時，也需要考慮到工件的自重，部分工件的重量相對較大，那么為了確保所選結構的適用性，也需要適當提高升降缸的參數。并且還需要在結構的受力方向添加兩個導桿結構，以此來平衡結構的升降過程，并且也需要在結構下方安裝配重，重量結合實際來進行選擇，從而提高機械手升降過程中的穩固性[5]。

2.7 回轉缸的選用

結合以往的設計經驗可以得知，一般情況下，智能機械手的回轉角度或超過100°，那么在選擇回轉缸結構時，需要考慮到不同角度的承壓情況，參考手部夾緊力計算結果，選擇相匹配的回轉缸結構。而且在實際應用中，也需要對結構的穩固性進行調整，具體的調整情況，可以參考2.5和2.6章節，同時將PLC控制結構安裝在合適的位置，以此來確保回轉缸工作狀態的穩定性[6]。

2.8 液壓系統設計

從目前的應用情況來看，很多企業在智能機械手驅動來源方面，會選擇液壓系統來提供機械手動力來源，而且液壓系統的應用，還可以提升機械手應用階段的靈活度，使其能夠順利完成一些應用操作。在具體的設計階段，需要對所設計機械手的基本參數進行了解，如工作負荷、任務種類、工作環境等，根據此類內容來完成液壓系統參數的選擇。而且還需要將傳感器安裝在液壓系統當中，對于系統目前工作狀態進行監督，在出現不合規問題后，可以及時進行調整，從而提高系統運行過程的安全性[7]。

2.9 PLC程序編制

在智能機械手工作過程中，可以使用到PLC程序來完成智能機械手運行參數的控制工作。目前機械手的工作任務復雜度、精準度正在不斷提升，若依靠傳統的控制方法很難滿足產品質量要求。對此借助PLC程序中的各個管理模塊，對于智能機械手目前各結構的工作狀態進行監督，如果出現了異常運行數據可以及時對其進行處理，起到了及時止損的作用。需要注意的是，在模塊化管理過程中，需要將內容盡量細化，從而提高管理過程的精細化。

2.10 1/0 地址分配

由以往的PLC管理經驗可以得知，在智能機械手工作的過程中，需要利用到許多的開關來完成運行控制，同時每個開關保持著相對的獨立性，對此，PLC技術在智能機械手正常工作的情況下，會將這些開關的1/0地址進行集中管理，并且在下達指令后，可以有目的性地輸送到某一區域，這也提升了信息傳輸的及時性，提高了機械手工作狀態的靈活度。

2.11 液晶顯示屏設計

除了上述設計內容外，對于液晶屏進行優化設計也屬于非常重要的內容，顯示屏是用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，需要具備控制簡單、兼容性強等優勢。因此在對其展開設計時，需要提升接口設計的兼容性，而且轉換板也需要做出適當調整，從而提高顯示屏的可靠性，能夠準確顯示運行信息，以此來提高運行過程的穩定性。

3 ?結束語

綜上所述，結合上述操作分析后可以得出，PLC技術的應用，能夠有效提升整個系統運行過程的可靠性。并且智能機械手在完成調整之后，也可以更加靈活地完成相應的操作指令，由此可見，將PLC技術應用到裝配式機械手結構當中，不僅可以提高操作的準確性，而且對于加快機械手智能化發展速度有著積極地作用。

參考文獻：

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[7]孫江波，王翠，荊強.鎂合金材質智能機械手系統的開發與設計[J].世界有色金屬，2017（19）：183，185.