基于PLC控制的變速器搬運機械手系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究

郭永鳳

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710300）

在我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程中，現(xiàn)代工業(yè)也在不斷的發(fā)展，并且在工業(yè)生產(chǎn)過程中也已經(jīng)普及使用了流水生產(chǎn)線。因為人工的包裝及搬運不僅耗時耗力，而且在環(huán)境較為惡劣的背景下無法實現(xiàn)工作，所以傳統(tǒng)工作方式已經(jīng)無法滿足我國現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展需求，以此就出現(xiàn)了自動化的生產(chǎn)模式，并且機械手也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)自動化生產(chǎn)的各方面中[1]。機械手能夠?qū)θ耸直鄣哪承﹦幼鞴δ苓M行模仿，根據(jù)固定的程序抓取物品、搬運物品或者實現(xiàn)操作工具的自動化裝置。其能夠代替人在復(fù)雜的環(huán)境在工作，以此有效實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化及機械化，并且還能夠在特殊情況下保護人身的安全[2]。PLC可編程控制器是將中央處理器作為核心，其中使用自動控制、計算機等較為先進的技術(shù)，其功能較為完善，并且具有較高的可靠性、組合較為靈活、功能消耗較低、編程較為簡單，其能夠降低人們的勞動程度，提高現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度，所以是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制中使用最為廣泛的方式[3]?；诖耍疚木蛯崿F(xiàn)了基于PLC控制的變速器搬運機械手的系統(tǒng)設(shè)計，并且在最后對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)。

1 變速器搬運機械手的結(jié)構(gòu)

圖1為變速器搬運機械手的結(jié)構(gòu)，通過圖1可以看出來，本文所研究的變速器搬運機械手是使用龍門式架構(gòu)設(shè)計的，其中具有主裝配線和試驗線，并且在龍門橫梁中安裝機械手運動。龍門框架水平方向?qū)崿F(xiàn)機械手X軸的安裝，機械手X軸和Y軸分別都在溜板中安裝了伺服電機。機械手底部是夾爪，其能夠通過變速器實現(xiàn)夾爪的設(shè)計，所以就將夾緊氣缸設(shè)置到了夾爪的一邊[4]。因為變速器在試驗線和主裝配線中的安裝位置不同，為了能夠使變速器搬運機械手能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置的運動，所以將翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及姿態(tài)調(diào)整設(shè)置在機械手結(jié)構(gòu)中，以此使變速器能夠變換不同的姿勢，將翻轉(zhuǎn)機構(gòu)及夾爪相互連接，并且設(shè)置翻轉(zhuǎn)氣缸，使其能夠使夾爪根據(jù)中心線的正反方向進行旋轉(zhuǎn)，從而能夠使變速器進行旋轉(zhuǎn)，姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)連接夾爪安裝板，并且具備姿態(tài)調(diào)整氣缸，在底部設(shè)備根據(jù)軸線進行旋轉(zhuǎn)，調(diào)整變速器的姿態(tài)。在主裝配線變速器運動時，夾爪開口要通過X方向在試驗線中安裝變速器，夾爪的靠口要順著Z方向?qū)C械手底部夾持裝置進行旋轉(zhuǎn)，以此對夾爪的朝向進行改變，在豎直立柱中實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)氣缸和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的安裝，通過機構(gòu)的相互連接能夠促進其中裝置的不同方向旋轉(zhuǎn)，從而改變夾爪的朝向，以此有效滿足機械手在搬運過程中的需求[5]。

圖1 變速器搬運機械手的結(jié)構(gòu)

變速器屬于全自動的工作和運動，在其運動過程中不需要人工干預(yù)，如果系統(tǒng)無障礙運動，主裝配線的變速器就會向機械手下發(fā)相應(yīng)的指令使機械手能夠抓取物體，探后通知主裝配線，機械手變速器會到試驗線中融入，在此過程中能夠?qū)崿F(xiàn)多種工作運動，如果機械手到達試驗線上方的時候就會通知機械手能夠?qū)⑾潴w放下，如果沒有準備試驗線，其就會等待。在機械手放箱之后就會發(fā)送試驗線放箱成功消息，然后準備，進入到下一個循環(huán)中[6]。圖2為搬運機械手控制系統(tǒng)的順序功能，圖3屬于變速器搬運機手的工作流程。

2 機械手的設(shè)備型號選擇

2.1 夾緊機構(gòu)

機械手的手爪的主要目的就是抓取箱體，手爪在工作過程中要滿足精準、靈活、迅速及可靠的要求。在夾緊機構(gòu)制造過程中，要要全面考慮機械手的坐標形式、運動速度及加速度，夾緊力的大小和箱體的重量、沖擊力及慣性具有密切的聯(lián)系。之后還要全面考慮開口的尺寸，要滿足被抓箱體尺寸變化范圍的需求，還要具有多個抓取機構(gòu)，從而根據(jù)實際需求對手爪進行更換。為了避免箱體在抓取過程中損壞，要對夾緊力進行限制。本文使用二指式手爪進行設(shè)置，使用可編程的控制器對繼電器進行控制，以此實現(xiàn)電磁閥動作的控制[7]。

2.2 軀干結(jié)構(gòu)

軀干主要包括手臂和上梁，上臂是對機械手的重量進行支撐，將小車安裝到上梁中，通過異步電動機對小車運動進行控制，利用PLC對變頻器進行控制，并且還能夠?qū)ψ冾l器的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)小車移動的速度及方向控制。手臂是機械手的主要部分，其能夠支撐工件和手爪的運動，本文手臂設(shè)計包括數(shù)軸，能夠?qū)崿F(xiàn)升降的運動。手臂通過異步電動機帶動螺母和絲杠進行升降，通過PLC發(fā)出的信號對變頻器進行控制[8]。

2.3 電動機

文中使用YS系列異步電動機，功率的不同選擇不同的型號，此系列的電動機結(jié)構(gòu)較為簡單，并且運行過程中較為可靠，維護較為方便。

2.4 變頻器

變頻調(diào)速電氣的傳動調(diào)速范圍較大，并且具有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性，較高的運行效率，廣泛應(yīng)用到工業(yè)中。變頻器一般都是通過電力半導(dǎo)體的通斷作用將工頻電源轉(zhuǎn)換成為另外頻率的電能控制裝置。本文使用三菱公司變頻器對異步電動機進行控制，實現(xiàn)電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、慢轉(zhuǎn)及快轉(zhuǎn)的變化，以此控制機械手的前進、后退、上升及下降控制[9]。

圖2 搬運機械手控制系統(tǒng)的順序功能

3 電控的硬件設(shè)計

機械手控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)要能夠更好的實現(xiàn)控制功能，機械手電氣控制系統(tǒng)要求具有連續(xù)控制、單周期控制及手動控制等操作，圖4為機械手控制面板圖。

根據(jù)工件在生產(chǎn)及搬運過程中的特點及需求，機械手的控制按鈕分布詳見圖3，在按鈕處于原點位置的時候，系統(tǒng)就會自動回到右上角的位置等待，在按鈕到連續(xù)位置的時候，系統(tǒng)就會自動實現(xiàn)各種操作并且循環(huán)工作。在按鈕到達手動的時候，每個工序都要根據(jù)步驟按鈕實現(xiàn)[10]。

1）停止。在機械手工作過程中如果出現(xiàn)搬運不穩(wěn)、抓取不牢等多種問題的時候，就能夠按下停止按鈕，使所有的運動都能夠停止，直到將系統(tǒng)重新啟動。此按鈕能夠避免出現(xiàn)事故，降低由于事故導(dǎo)致的損失。

2）啟動。在系統(tǒng)上電并且機械手為自動模式的時候就會按下啟動按鈕，機械手根據(jù)指令運行[11]。

圖3 變速器搬運機手的工作流程

圖4 機械手控制面板圖

3）工作模式的選擇。在機械手正常工作的時候能夠?qū)⑵湔{(diào)送到連續(xù)模式，機械手就能夠自動的運行。如果機械手在運行過程中出現(xiàn)故障，其就會自動報警，并且將機械手調(diào)到手動模式。

4）手動控制。通過按鈕控制機械手的每個動作。比如，按下下降按鈕，機械手就會下降；按下上升按鈕，機械手就會上升[12]。

4 系統(tǒng)PLC控制設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)的輸入和輸出

表1為可編程序控制器的輸入點，表2為可編程序控制器的輸出點。

4.2 PLC外部接線圖

圖5為PLC的外部接線示意圖，圖6為基座電機的接線圖，圖7表示為氣夾電機的接線圖，圖8為PLC的硬件結(jié)構(gòu)。

4.3 編寫腳本程序

其一，事件命令語言。在瀏覽器中選擇時間命令語言，之后實現(xiàn)圖表的新建，然后使“停止按鈕==1”輸入到事件描述中[13]。

表1 控制器的輸入點

表2 控制器的輸出點

之后確認編寫事件命令語言。

其二，應(yīng)用程序命令語言。通過瀏覽器實現(xiàn)應(yīng)用程序命令語言的選擇，右側(cè)圖標雙擊，就會出現(xiàn)應(yīng)用程序命令語言，在其中對機械手控制程序進行編寫[14]，輸入以下程序：

5 系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖9為變速器搬運機械手系統(tǒng)的操作界面，通過圖9可以看出來，系統(tǒng)主要包括多個畫面，并且還具有X軸和Y軸，能夠便于機械手在水平及豎直方向移動的控制。通過對系統(tǒng)運行表示，基于PLC控制的變速器搬運機械手系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的目的[15-16]。

圖5 PLC的外部接線圖

圖6 基座電機接線圖

圖7 氣夾電機的接線圖

6 結(jié)束語

圖8 PLC的硬件結(jié)構(gòu)

圖9 變速器搬運機械手系統(tǒng)的操作界面

文中對基于PLC控制的變速器搬運機械手系統(tǒng)進行了設(shè)計，系統(tǒng)能夠有效滿足各個環(huán)境的運行需求，配合啟動及伺服控制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，并且運行過程中較為靈活，抗干擾能力和通用性較強，而且穩(wěn)定。在生產(chǎn)過程中使用本文設(shè)計的變速器搬運機械手能夠有效提高自動化程度和生產(chǎn)效率，有效降低產(chǎn)品的出廠成本和人力成本，以此有效提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。