自動化機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

孫 艷

（忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電系，忻州 034000）

目前，自動化機械臂在汽車生產(chǎn)行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。自動化機械臂具有諸多優(yōu)勢，如可長期進行重復(fù)性工作、耗費人力資源較少等。但是，自動化機械臂造價昂貴，在大型企業(yè)中需要多臺相關(guān)設(shè)備進行工業(yè)化操作，會增加企業(yè)的前期投入。文章通過相關(guān)研究設(shè)計了一種造價較低和自動化程度較高的機械臂設(shè)備，能夠節(jié)省投資成本，提高生產(chǎn)效率，在滿足自動化和規(guī)范化的前提下，極大地提高了生產(chǎn)安全性，具有一定的應(yīng)用價值[1]。

1 自動化機械臂概述

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

一般來說，機械臂的運動控制管理系統(tǒng)是為了使整個機械臂的運動協(xié)調(diào)更加穩(wěn)定，包括采用高性能的數(shù)控計算機及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)管理硬件和控制軟件。機械臂的運動控制組成部分一般可劃分為4個部分，分別為控制機械臂及其運動感知器、環(huán)境、任務(wù)和控制器[2]。機械臂具體尺寸如圖1所示。

機械手臂傳動系統(tǒng)是由多個機械的器械部分組成的傳動裝置。它利用機械感知器的內(nèi)部狀態(tài)感應(yīng)器，完成控制自然本體與外界環(huán)境條件以及周圍狀況的即時監(jiān)測與自動信號交換。本體環(huán)境狀態(tài)的即動是指控制機械手臂轉(zhuǎn)動時所在區(qū)域內(nèi)的本體環(huán)境[3]。手動任務(wù)功能通常泛指轉(zhuǎn)動機械臂時必須手動進行的所有動作。它們需要適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序語言加以說明，或?qū)⑺苯哟嫒胛⒖刂葡洹Ｎ⒖刂破靼C軟件與自動硬件，相當(dāng)于機械手的大腦，以自動計算機或機械專用的微控制器來運行受控程序，從而自動完成系統(tǒng)給定的各種任務(wù)[4]。

控制系統(tǒng)的主要硬件一般包括3部分，分別為本體感知部分、自動控制處理裝置部分和機械驅(qū)動部分。本體感知部分用于實時收集基于機械臂的內(nèi)部和外部的本體信息，如本體位置、速度、加速度等電傳感器，可實時接受基于機械手的內(nèi)部本體工作狀態(tài)，而其他視覺、觸覺、力覺等物理傳感器可直接感受基于機械手的本體工作周圍環(huán)境的外部本體狀態(tài)。自動控制處理裝置用來控制處理各種控制信息，完成各種控制操作過程，并產(chǎn)生各種控制指令，主要包括控制計算機端和相應(yīng)的控制接口等。對于機械驅(qū)動部分，為了使移動機械手能夠完成移動操作及具備移動物體功能，機械臂各驅(qū)動關(guān)節(jié)部位可分別選用氣動、液動、電氣等驅(qū)動方式驅(qū)動[5]。

1.2 控制系統(tǒng)的性能要求

對于一般的控制系統(tǒng)有如下控制要求，分別為減小穩(wěn)態(tài)檢測誤差、分析過渡設(shè)計過程中的性能和軟件穩(wěn)定性。

1.2.1 減小穩(wěn)態(tài)檢測誤差

穩(wěn)態(tài)過渡誤差的定值為當(dāng)穩(wěn)態(tài)過渡處理過程全部完成后，理論預(yù)測的實際穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的預(yù)測穩(wěn)態(tài)輸出功率之差?？刂破鞯乃脚c穩(wěn)態(tài)運動偏差越小，說明控制精度越高。因此，穩(wěn)態(tài)運動誤差是直接衡量控制儀器系統(tǒng)主要性能好壞的一項重要指標。設(shè)計控制儀器系統(tǒng)性能的首要任務(wù)是在完全兼顧其他系統(tǒng)性能指標的情況下，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運動誤差盡可能小或者盡量小于某個指標允許的性能限制值[6]。

1.2.2 分析過渡設(shè)計過程中的性能

通常采用過渡均衡性和過渡迅捷性兩種方式綜合評價系統(tǒng)性能。平衡性快速是指當(dāng)系統(tǒng)從初始均衡狀態(tài)快速運動過渡到最新的均衡運動狀態(tài)時，系統(tǒng)具有較小的超調(diào)和或過渡振蕩特性。其中，速度表征系統(tǒng)適用于過渡狀態(tài)運動過程的快速變化程度[7]。

1.2.3 軟件穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是系統(tǒng)內(nèi)在受到短暫的軸向擾動后，內(nèi)部運動平衡性能從軸向偏離時的平衡點狀態(tài)恢復(fù)，并達到原來的平衡點穩(wěn)定狀態(tài)的重要能力。穩(wěn)定性要求一般是工業(yè)自動控制領(lǐng)域必須滿足的基本技術(shù)要求。如何深入研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是工業(yè)自動化過程控制管理系統(tǒng)設(shè)計的一個基本技術(shù)問題。

2 傳感器

2.1 位置檢測裝置

當(dāng)自動機械手需要執(zhí)行左旋/右旋、前縮后伸/伸或回縮、上升/上或下降等動作時，應(yīng)有相應(yīng)的自動檢測器可以檢測各個動作位置是否準確到位，如常用的動作位置自動檢測檢查裝置內(nèi)部是否有行程開關(guān)。系統(tǒng)設(shè)計主要采用一臺直線接觸式運動行程開關(guān)機來檢測機械手開關(guān)動作精度是否完全到位，當(dāng)機械手運動到指定開關(guān)位置時，若碰到行程開關(guān)，則終結(jié)執(zhí)行上一個開關(guān)動作，準備開始執(zhí)行下一個開關(guān)動作。

2.2 滑覺傳感器

硬盤軟鍵盤轉(zhuǎn)動吸取主要通過轉(zhuǎn)動吸盤最小零度吸力系數(shù)值來轉(zhuǎn)動吸取其他物體，可有效保證吸盤工作時的可靠性。吸取軟物體時，若吸力不夠，則被動受吸取物的整個身體可能會受到滑動重力產(chǎn)生的反重力進行滑動?；X中的吸力滑動傳感器是為了能夠用來檢測物體重力滑動而設(shè)計的，便于檢測達到物體滑動方向修正后的滑動吸力，防止與被動受吸取物的身體產(chǎn)生重力滑動。

2.3 視覺傳感器

機械臂顏色視覺的主要作用是在很大程度上模仿普通人的眼睛，對不同的顏色物體分別顏色識別。目前，用于燈光顏色信息識別的燈光傳感器主要有兩種基本應(yīng)用類型。一是單色標燈光傳感器。它可以使用色標白熾燈泡的光源或單色標的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）熾燈光源。二是RGB（紅綠藍）3種顏色的光傳感器。它可以檢測一個物體對3種基色的光線反射率和比率，從而鑒別一個物體上的顏色。這類密封裝置大多是反射型、光束型、光纖型，封閉安裝在各種磁性金屬和其他聚碳酸脂材料外殼中。

3 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的基本設(shè)計原則是在符合生產(chǎn)功能安全要求、保證質(zhì)量安全和維修簡單的基本前提下，力求獲得最佳的生產(chǎn)性能值和價格相對比。選型時，設(shè)計人員主要綜合考慮以下幾個要點。

3.1 必須具備相應(yīng)的應(yīng)用功能以及配置條件要求

通常，中小型（低檔）PLC設(shè)備均能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯計算、定時器以及計數(shù)等功能。本系列溫控系統(tǒng)按實際需要使用戶可以自動選擇溫控開關(guān)的容量大小，因此選用一般小容量型號的開關(guān)元件即可。

3.2 必須具備系統(tǒng)響應(yīng)速度快的要求

PLC控制系統(tǒng)是為應(yīng)用于制造業(yè)流程自動化等領(lǐng)域而設(shè)計的一種通用自動控制器。人們需要慎重考慮使用PLC的中斷速度，可以考慮使用同時具備高速中斷與零處理模塊功能的中低速PLC，或者可選用同時具有快速中斷響應(yīng)處理模塊和快速中斷信號輸入處理模塊的高速PLC等。

3.3 制定合理的結(jié)構(gòu)形式

PLC系統(tǒng)主要有總體式和模組式兩種結(jié)構(gòu)形式?？傮w式PLC的平均價格比模組式便宜，且體積相對較小，通常應(yīng)用于工藝流程相對穩(wěn)定的小型系統(tǒng)。考慮到此系統(tǒng)控制方式比較簡單，可適用于小批量生產(chǎn)線，因此選用總體式PLC比較理想。

3.4 制定合理的安裝操作管理方式

PLC的遠程安裝操作系統(tǒng)方式一般可分為遠程配置集中式、遠程輸入/輸出（Input/Output，I/O）方式和由多臺多個人的PLC控制裝置在互聯(lián)網(wǎng)上的遠程配置分布式。集中式系統(tǒng)無須再為所需要放入設(shè)備額外安裝或設(shè)置任何遠程驅(qū)動器以及遠程I/O硬件，因此系統(tǒng)設(shè)計工作簡單、反應(yīng)快速及成本低。在走向工廠化的大型小批量遠程調(diào)試系統(tǒng)生產(chǎn)中，如何有效降低遠程調(diào)試器的成本顯得尤為重要。因此，對于此操作系統(tǒng)，用戶選擇的方式是基于集中式遠程調(diào)試的安裝操作系統(tǒng)方式。

4 結(jié)語

隨著機械臂技術(shù)的不斷發(fā)展，該機械裝置不僅可直接替代他人從事危險、有害、有毒、低溫和嚴寒高熱等惡劣工作環(huán)境，也可代替他人自動完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動，有利于提高工業(yè)勞動生產(chǎn)率，保證工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量。隨著工業(yè)科學(xué)分揀技術(shù)的不斷發(fā)展和PLC在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和全過程管理中的廣泛應(yīng)用，機械臂不僅可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)物料自動分揀，而且可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)垃圾焚燒對固體垃圾自動分揀等。

機械臂的動力控制傳動系統(tǒng)主要采用一種技術(shù)性和可靠性都較高的PLC來實現(xiàn)自動控制。該機械設(shè)備具有更加靈活、動作準確、易于安裝維護等特點，顯著提高了勞動生產(chǎn)率，能夠做到各種生產(chǎn)操作管理方式自由切換，滿足了各種類型生產(chǎn)線的要求。