基於PLC的氣動抓取式工業機械手設計研究論文

機械手在設計過程中,注重其自動化控制,能夠實現一些較爲複雜的工業操作。文章對氣動抓取式工業機械手設計的研究,主要是基於PLC自動化控制下的抓取式機械手的設計分析,注重提升機械手的靈活性和智能性,以期更好地實現工業發展自動化。

在工業消費範疇中，工人在工作的時分經常會遇到高溫、腐蝕和有毒氣體的損害。這些損害不只加大了工人的勞動強度，而且還會危及工人的生命平安。爲了減輕工人的勞動強度，保證工人的生命平安，工業機器人由此降生。

工業機器人執行機構是機械手，它能夠模擬人手動作，依照指定的程序和預定的軌跡停止自動抓取和搬運，完成工業現場操作的自動化。機械手按驅動方式能夠分爲液壓式、氣動式、電動式和機械式。可編程控制器（PLC）是特地爲工業應用設計的應用數字運算操作的電子安裝。它具有牢靠性高、功用強大、編程簡單、人機交互界面友好等特性，普遍應用於工業控制系統中。

筆者設計了一款PLC控制的氣動驅動式機械手，完成機械消費過程中的自動上料、下料等裝卸任務，從而到達進步工業自動化消費效率的目的。

一、機械手組成

機械手主要由執行機構、氣動驅動系統、控制系統以及位置檢測安裝等所組成。組成如圖1所示。

圖1 機械手組成控制原理方框圖

其中執行機構包括手部、伎倆、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。氣動驅動系統包括應用氣體壓力來驅動機械手執行機構的動力安裝、調理安裝和輔助安裝。PLC是控制機械手動作的控制系統。

二、氣動機械手設計計劃

氣動機械手的特性是快、穩、準，請求可以快速、精確地拾放和搬運物件，而且要有足夠的空間、靈敏的自在度以及恣意位置的自動定位等。

1.物理選型：座標式選擇與自在度剖析

依據機械手手臂的運轉方式不同、組合狀況，其座標能夠分爲直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節式。關於本次設計的機械手需求完成在上下料時完成手臂的升降、收縮和迴轉運動，所以採用圓柱座標。爲了補償升降運動行程比擬小的缺陷，故增加手臂擺動構造，即增加了一個手臂上下襬動的自在度。這樣，手臂有四個自在度，包括手臂的上下升降、左右迴轉、前後伸縮，上下襬動，若將立柱的橫向挪動包含在內，手臂有5個自在度；伎倆有左右迴轉和左右擺動兩個自在度，手指有開閉運動和上下襬動兩個自在度。整個系統共有九個自在度）。

2.構造計劃設計

（1）手指。思索機械手的通用性，故把手指構造設計成可改換性，比方棒料能夠用夾持式手部夾取，板料則要用氣流負壓式吸盤汲取。用1個汽缸控制開閉， 1個電動機控制上下襬動。

（2）伎倆。思索機械手的通用性，且被抓取的工件是程度放置的，伎倆設計成迴轉構造，由2個迴轉電動機來驅入手腕停止迴轉運動和左右擺動。

（3）手臂。依據抓取工件的請求，機械手的手臂設有五個自在度，包括手臂的上下升降、左右迴轉、前後伸縮，上下襬動以及立柱的橫向挪動。手臂的迴轉和升降是由立柱來完成的，立柱的橫向挪動也就是手臂的橫移、手臂的各種運動都是由5個汽缸或電動機來驅動完成的。

3.驅動計劃設計

機械手的驅動採用氣動驅動方式。氣壓傳動系統的反響比擬靈活，動作比擬疾速，阻力產生的損失較小，走漏也比擬小，本錢低（參見圖3）。

圖3 氣壓傳動系統工作原理圖

氣源由空氣緊縮機（排氣壓力大於0.4～0.6MPa）經過快換接頭進入儲氣罐，經分水過濾器、調壓閥、油霧器，進入並聯氣路上的電磁閥，以控制機械手動作。

各執行機構調速，但凡能採用排氣口節流方式的，都在電磁閥的排氣口裝置節流阻尼螺釘停止調速，這種辦法的特性是構造簡單，效果尚好。手臂伸縮汽缸在接近汽缸處裝置兩個快速排氣閥，能夠加快啓動速度，也可調理全程的速度。升降汽缸採用進時令流的單向節流閥以調理手臂上升速度。由於手臂可自重降落，其速度調理仍採用在電磁閥排氣口裝置節流阻尼螺釘來完成，氣液傳送器汽缸側的排時令流，可用來調整迴轉液壓緩衝器的背壓大小。 爲簡化氣路，減少電磁閥的數量，各工作汽缸的緩衝均採用液壓緩衝器。這樣能夠省去電磁閥和切換調理閥或行程節流閥的`氣路阻尼元件。

4.控制方式選擇

爲了加強機械手的通用性，同時採用點位控制，我們採用可編程控制器（PLC）來控制機械手的運動（參見圖4）。我們只需求改動PLC程序，就能夠改動機械手的動作流程，運用起來十分便當。

（1）PLC的構造（參見圖5）。PLC是一種專用於工業控制的計算機，其硬件構造根本上與微型計算機相同，普通由中央處置器、編程器、系統存儲器、用戶存儲器和電源組成。

中央處置單元（CPU）是PLC的控制中樞。它依照PLC系統程序賦予的功用接納並存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據，檢查電源、存儲器、I/O以及戒備定時器的狀態，並能診斷用戶程序中的語法錯誤。

（2）系統輸入/輸出散佈表見表1，電磁閥和系統輸出對應表見表2。

（3）電路的總體設計。由於篇幅的關係，筆者僅列出含5個主要自在度（手臂的左右迴轉、手臂的伸縮、手臂的升降、手指的夾緊、伎倆迴轉）的電路設計，並以此來停止PLC編程，迴路設計見圖6。

圖6 系統完成功用表示圖

（4）機械手的程序設計。自動線的保送動作由步進電動機帶動完成距離保送，完成設計請求的保送情況。其工作的過程是：機械手首先處於初始位置，然後經過一系列的動作將斷續傳送帶上的工件拿走，此時傳送帶上的光電檢測開關檢測到工件被取走。然後傳送帶開端轉動，當檢測到下一個工件時傳送帶中止轉動等候機械手來取工件，只需機械手取走工件，傳送帶就開端轉動，這樣設計是爲了儉省工作時間從而不會呈現機械手等候傳送帶的時間。對程序的請求如下：①首先啓動機械手。機械手自動復位，處於初始位置。②在機械手工作前要對其停止設備的檢測。即機械手空運轉一次，而且機械手的每一個動作都有相應的定時器停止監控，若超出規則的運轉時間則以爲是設備呈現毛病。③機械手設有急停按鈕（普通狀況下是不被允許運用）只要呈現緊急狀況時才允許按此按鈕。按下此按鈕將切斷儲氣罐與各汽缸的聯絡，將被切斷各汽缸處於無動力狀態。

（5）步進電動機的運轉控制。由於對傳送帶的速度和精度請求不太高，選擇三相步進電動機通電方式爲三相雙三拍，應用PLC中的M8014特殊功用繼電器向環形脈衝分配器中發送脈衝，然後經光電轉換和功放電路驅動步進電動機。

環形脈衝分配器選擇YB01芯片，此芯片爲專用三相步進電動機環形脈衝分配器，此芯片工作穩定、性能優秀，在實踐消費中被普遍應用。

①步數控制。當對射式光電檢測開關檢測到共建的位置時，此時中止向脈衝分配器中發送脈衝，步進電動機將停在此位置不動。

②手動控制步進電動機。當按下手動啓動步進電動機按鈕時，M8013即向環形脈衝分配器中發送脈衝，步進電動機開端轉動；當按下中止按鈕時，步進電動機將中止。

③在報警和暫停狀態下，步進電動機也將中止轉動。

由此可見，步進電動機控制程序如下：

（6）各模塊的程序設計。

①程序初始化。採用中間繼電器M8002，中間繼電器對系統各局部復位，定義各種標誌包括系統初始化標誌，系統啓動暫停、急停、復位等標誌，程序如下：

②定義系統復位標誌M0。M0定義爲系統初復位標誌，它由機械手的右限位開關X0，下限位開關X5，收縮限位開關X3，伎倆右轉限位開關X10同時激活，程序如下：

③定義系統啓動標誌M1。M1定義爲系統啓動標誌由啓動按鈕和M0共同激活，程序如下：

④定義暫停標誌M2。M2爲暫停標誌由暫停按鈕激活，程序如下：

⑤定義急停標誌M4。M4定義爲急停標誌，由急停按鈕X19激活M4，同時激活特殊功用繼電器M574（制止狀態轉換），平安閥將儲氣罐與機械手的聯絡切斷，程序如下：

⑥定義系統復位標誌M5。M5定義爲系統復位標誌，由復位按鈕激活，當按下復位按鈕系統時將向右轉，伎倆右轉，手臂收回，機械手降落，機械手右轉的次第停止復位。當最後一個動作完成、下限位開關有效時，程序將執行RST M5，程序如下：

⑦機械手自檢程序。機械手依照給定的次第（手抓加緊鬆開?伎倆右轉左轉?手臂伸長收縮?機械手左轉右轉）空執行一次，在每一個動作執行的過程中都會有定時器對每個動作停止監控。若超越設定時間（定時器設定的時間都超越每個動作的時間）則以爲是機械系統出錯，中止當前的動作發出報警信號，程序如下：

⑧自動運轉程序。此形式爲機械手工作的主要形式，這局部採用具有堅持功用的狀態組件S500-S899，能夠讓機械手在斷電後再次通電繼續執行斷電前的動作，程序如下：

三、結語

總之，本次設計的是氣動通用機械手。相關於專用機械手，通用機械手的自在度可變，控制程序可調，因而適用面更廣。採用氣動式驅動，動作快速，可以完成精確定位，自動定位，控制性能好，可以很好地順應各種惡劣的工作環境，不會因環境變化影響傳動及控制性能。而且阻力損失和走漏較小，不會污染環境，同時本錢低廉。採用PLC控制，牢靠性高、可編程性強，無論是停止時間控制，或是停止行程控制、混合控制，都可經過設定PLC程序來完成，依據機械手的動作次第修正程序，使機械手的通用性更強，很好地順應了工業控制的請求。