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基于PLC控制的机械手臂设计

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  【摘要】伴随电子技术和信息技术的迅猛发展,造业出现了惊人的变化,特别是工业机器人的发展,更加快了我国现代制造业的脚步,机械手是一种能实现自动控制、可编程控制、自由度高的自动化生产设备,可用于材料搬运、零件调度,能完成各种作业,基于PLC编程控制的机械手具有和人手臂相似的动作功能,可根据需要编制程序,使其能灵活的抓放物体,完成指定的动作,是当下应用非常实用的生产装备。本文设计的机械手是多关节结构,灵活性好、实用性强,安全度高,可以提高工作效率,并能实现自动化、无人化。
  【关键词】PLC 多自由度 工业控制
  引言:机械手是一种生产装备,可提供作业所需的运动和动力,自动实现手部作业,基于PLC控制的机械手臂设计为多关节,体现在手的抓取、手腕的旋转、手的伸缩,通过控制装置、传动系统、执行机构,最后通过检测系统形成闭环系统,它动作灵活,将机械、液压传动与电气相结合实现平面四杆机构的抓取,特别适用于工业和食品行业,可以提高工作效率。
  1、机械手总体结构
  工业机械手臂是由PLC进行总体控制,经传动中枢,通过液压传动驱动,经执行机构到查询系统,最后进行检测,形成一个闭环系统,本设计的机械手属于圆柱坐标型,按照圆柱坐标形式动作,灵活性好,作业空间范围较大,刚度、精度较高,整体设计结构简易,满足功能要求。
  2、机械手的夹持器结构设计
  机械手的夹持器为双指手爪式,本设计采用回转式连杆夹持器,结构简单,当驱动器推动杆上下移动时,由杆、连杆、摆动钳爪和夹持器构成四杆机构,迫使钳爪完成夹紧和松开动作,夹紧力
  在结构尺寸b、c和驱动力FP一定时,夹紧力FN和α角成反比,当α角较小时,夹紧力较大,当α=0时,爪钳闭合到最小极限位置。
  3、驱动装置的设计及计算
  将各驱动方式对比,本设计采用液压式的驱动方式,它速度较快,结构简便,抓重大,重复定位精度较高,臂力可达900N以上,机械手臂的结构类型由对应的机械结构和驱动系统的类型来决定,本设计采用液压驱动的优点是动力大,易于实现直接驱动,可靠性高,能够实现连续控制,扩大了机械手臂的用途范围,使得机械手臂在机械制造的各个行业得到推广使用。
  本文设计的机械手臂能够进行伸缩、回转,灵活的抓取动作,通过液压缸驱动手臂伸缩,活塞杆固定不动,采用燕尾型导轨导向,刚度大,工作平稳,手臂回转运动采用摆动液压马达驱动,其固定在手臂支架上,液压马达动片转动时,利用挡块和行程开关定位。整个驱动装置主要由机械手爪,爪壳,活塞杆,活塞壳等组成。
  计算夹紧缸驱动力
  爪壳和缸壳连成一体,当压力油从液压缸油管右侧进油时,活塞杆向左移动,推动手爪闭合;当压力油从液压缸左边进油时,拉
  4、机械手的可编程控制
  本设计采用三菱FX2N系列PLC进行控制,它是三菱FX2N系列PLC中功能最强、速度最快的小型可编程控制器。基于三菱FX2N系列PLC控制的机械手程序简单,活动灵活,便于实现控制。
  工业机械手的电气控制系统相当于CPU,它不但协调控制机械手的各部分動作,还要统筹机械手与生产系统之间的动作。机械手的动作位移顺序、到达指定的位置,包括上下、左右的移动、伸缩、回转及摆动、手腕的摆动和回转、手指的张、开动作,以及各个动作的时间、速度等,都是在PLC的指挥下,按照预先设计好的程序来实现的。整个过程包括:电气控制路线图,根据控制要求完成I/O地址的分配,完成PLC硬件接线图的设计,绘制梯形图,输入调试控制程序。
  5、小结。机械手属于工业机器人的一种,它通过各个关节的运动来实现其末端执行器的位姿变化,其位姿体现了末端执行器在指定坐标系中的位置姿态,本设计的机械手臂由三菱PLC整体控制,编程简便,可根据需要编程控制、调整机械手臂的动作,由液压驱动它的各个关节的运动来实现手部作业,末端执行器可满足作业动作要求,基于PLC控制的机械手臂操作灵敏,调试方便,并且在工程应用之前可进行仿真调试,可以提高工作效率。
  参考文献:
  [1]王为.机械设计[M].湖北:华中科技大学出版社,2007.
  [2]付亚子.机械手控制系统[C].湖北:湖业工业大学,2000.
  [3]杨德华.通用机械手设计[C].湖北:湖业工业大学,2000.
  [4]闻邦椿.机械设计手册5版[M].北京:机械工业出版社,2012.
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