劉歷 杜勇

新巴爾虎右旗榮達(dá)礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾，021300

摘 要：近年來，隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展和用人成本的增加，礦山生產(chǎn)中的上下料正向機(jī)械化、自動化轉(zhuǎn)型。機(jī)械手精度高、動作迅速、可長時間作業(yè)的特征正被礦山企業(yè)應(yīng)用到上下料的生產(chǎn)中，提高了生產(chǎn)效率。本文討論了上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，確定了基于PLC控制的機(jī)械手的關(guān)鍵參數(shù)，在明確控制方案的前提下，設(shè)計(jì)了機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件和軟件，為PLC控制機(jī)械手在上下料生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；ADAMS；上下料；自動化

引言

機(jī)械手是在工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的自動化設(shè)備，它通過模仿人的手臂，按照設(shè)定的路徑等參數(shù)進(jìn)行物件的抓取、搬運(yùn)和其他操作。它主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分，控制系統(tǒng)一般采用DSP、單片機(jī)、PLC等芯片，時時控制各電機(jī)運(yùn)動；驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要包括各種電機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是仿生手臂用來進(jìn)行相關(guān)的操作。由于要進(jìn)行較為復(fù)雜的操作需要多關(guān)節(jié)進(jìn)行協(xié)同，所以多自由度機(jī)械的控制是基礎(chǔ)，一般采用六自由度或四自由度的結(jié)構(gòu)，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(shù)控加工中周期性的給機(jī)器和機(jī)床上下料。由于此項(xiàng)操作重復(fù)性強(qiáng)、危險性高、工作強(qiáng)度大，已經(jīng)不再適合手工操作，于是自動化的機(jī)械手取而代之。機(jī)械手可以快速準(zhǔn)確地長時間作業(yè)，定位精度高，環(huán)境適應(yīng)性很好，尤其是其抓舉運(yùn)輸可以超過人力很多，便于工業(yè)生產(chǎn)，所以對機(jī)械手進(jìn)行研究并使其應(yīng)用到上下料生產(chǎn)中十分必要。

1總體設(shè)計(jì)

機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該方案主要由HMI、PLC、驅(qū)動系統(tǒng)及機(jī)械手本體四個部分組成。

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要確定機(jī)械手自由度、行程和速度參數(shù)，電機(jī)選型和各軸的轉(zhuǎn)動方式。

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

機(jī)械手的運(yùn)動需要電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，它的主要動作特性與電機(jī)參數(shù)息息相關(guān)，所以對于電機(jī)的選型是必要的。一般而言，電氣式機(jī)械手常用的電機(jī)類型有伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。為使機(jī)械手能夠快速移動，要求軸電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速要高，額定輸出轉(zhuǎn)矩還應(yīng)較大。因此，X、Y、Z軸常選用伺服電機(jī)。但是對于RZ軸，由于其負(fù)載較小，精度要求較高，所以可以選擇簡單實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)。

電機(jī)驅(qū)動的傳動方式有多種，常見的機(jī)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(yīng)用較多，其簡單易用，保養(yǎng)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(diǎn)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(shè)計(jì)的機(jī)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案

機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示，HMI與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，向PLC傳送數(shù)據(jù)和運(yùn)動控制命令的同時接收傳回的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行時時顯示。

2機(jī)械手關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

綜合評價機(jī)械手的行動能力將以最大速度、負(fù)載能力、位置偏差閾值等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，這就需要確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、減速器的減速比、同步帶輪節(jié)徑等。由于機(jī)械手X軸的受力最為復(fù)雜，現(xiàn)以X軸為例來詳細(xì)分析關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定過程，隨后可用相同的方法確定其他軸的參數(shù)。

首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇一個伺服電機(jī)，經(jīng)計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行下一處電機(jī)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(jì)算出X軸負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量JL，X軸最大移動速度Vmax，機(jī)械手加速過程中電機(jī)的最大輸出扭矩Tmax等參數(shù)。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括X軸、Y軸、Z軸伺服驅(qū)動器的選擇、RZ軸步進(jìn)驅(qū)動器的選擇、PLC及擴(kuò)展單元的選擇等硬件的設(shè)計(jì)，由于篇幅所限，只以PLC的選擇為例進(jìn)行說明。

PLC是可編程邏輯控制器，通過數(shù)字或模擬輸入輸出控制整個機(jī)械生產(chǎn)過程。上下料機(jī)械手需要控制3個伺服電機(jī)和1個步進(jìn)電機(jī)，所以PLC選型時應(yīng)具有4路高速脈沖輸出功能。

本例選擇CP1H-Y20DT-D型PLC作為機(jī)械手的控制器。根據(jù)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(guān)、減速器等裝置，需要對其進(jìn)行IO地址的分配。當(dāng)上下料開始時，PLC輸出數(shù)字信號令錠床開始加工，當(dāng)銳床加工結(jié)束后，PLC收到信號，繼而進(jìn)行下料操作。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC的高速計(jì)數(shù)器功能和串口功能都將被實(shí)用，所以應(yīng)先編程設(shè)置PLC，如圖5所示。

在設(shè)置完P(guān)LC具體參數(shù)后，需要明確機(jī)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(jī)械手上下料全過程。

機(jī)械手先從原點(diǎn)P0向P1點(diǎn)運(yùn)動，當(dāng)?shù)竭_(dá)P1點(diǎn)后機(jī)械手松開，向下運(yùn)動到P2點(diǎn)，夾爪閉合抓取工件后回到P1點(diǎn)；機(jī)械手夾持著工件向P3點(diǎn)運(yùn)動，在P3點(diǎn)向下運(yùn)動至P4上料，然后機(jī)械手運(yùn)動到P3點(diǎn)，再運(yùn)動到P5點(diǎn)，機(jī)械手給銑床上料完成；當(dāng)加工完成后，機(jī)械手經(jīng)過P6-P7-P6-P8等點(diǎn)的操作后，完成下料，并將工件放置在傳送帶上；最后其運(yùn)動回P0點(diǎn)循環(huán)進(jìn)行下一輪操作。

控制程序方案包括回原點(diǎn)、示教、軌跡規(guī)劃和軌跡執(zhí)行四個部分?；卦c(diǎn)操作意在令機(jī)械手上料后或者上下料結(jié)束后回到其坐標(biāo)原點(diǎn)；示教是示教出空間上的坐標(biāo)點(diǎn)，并存儲到PLC的內(nèi)存區(qū)；軌跡規(guī)劃是指定軌跡上的點(diǎn)與示教庫中點(diǎn)的關(guān)系，通過軟件實(shí)現(xiàn)軌跡與示教庫信息的吻合，保證運(yùn)動精度；軌跡執(zhí)行部分用來設(shè)置運(yùn)動時的軌跡的編號、減速比、時間量等參數(shù)。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于PLC控制的機(jī)械手，確定了機(jī)械收的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，分析了機(jī)械手三個軸的關(guān)鍵參數(shù)，明確了機(jī)械手控制系統(tǒng)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(diǎn)、示教、軌跡規(guī)劃以及軌跡執(zhí)行等程序方案。相信隨著自動化領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，基于PLC控制的機(jī)械手將會在精確度等方面實(shí)現(xiàn)新的突破，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工廠的上下料生產(chǎn)中，逐漸代替人工操作。

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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?yàn)橛猩V山電氣