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工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)-機(jī)械專業(yè)論文
摘 要：文章中主要講述了在機(jī)械的實(shí)際操作過程中用來幫忙完成上下料的機(jī)械手的相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且以直流力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的具有三自由度的工業(yè)機(jī)械手為實(shí)例研究了其控制系統(tǒng)的相關(guān)軟、硬件的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手;PLC控制;直流力矩電動(dòng)機(jī)
目前，我國(guó)的科技發(fā)展迅速，加工制造行業(yè)也越來越趨向于自動(dòng)化，在機(jī)械加工、機(jī)械制造行業(yè)已經(jīng)普遍運(yùn)用機(jī)械手來幫助完成工作，機(jī)械手大部分是用于自動(dòng)安裝及自動(dòng)包裝工作，還用來幫忙上下料這種高重復(fù)性的工作。PLC控制技術(shù)不斷發(fā)展，使用其的益處越發(fā)明顯，尤其是在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、是否可靠、是否靈活等方面都有其特有的優(yōu)勢(shì)，所以，現(xiàn)在的PLC控制技術(shù)已經(jīng)普遍運(yùn)用到自動(dòng)化生產(chǎn)的控制工作中了，它可以幫助不同的機(jī)械完成自動(dòng)化操控，下面文章中主要闡述了由PLC控制的工業(yè)機(jī)械手的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。
1機(jī)械手系統(tǒng)組成與工作原理
下面文章中主要以三自由度機(jī)械手為研究對(duì)象具體闡述工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，這種類型的機(jī)械手靈活、自由，能夠?qū)C(jī)械手的各個(gè)部位進(jìn)行獨(dú)立控制。機(jī)械手的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大致是：機(jī)械手的腰關(guān)節(jié)主要是為了幫助機(jī)身在平面上實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，此部位的驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于直流力矩電機(jī)，這一類型的電機(jī)結(jié)構(gòu)屬于三級(jí)齒輪減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造簡(jiǎn)單，所以它工作起來的效率很高，并且準(zhǔn)確度高。肩關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)是懸臂梁式的結(jié)構(gòu)，工作原理是通過直流力矩電機(jī)帶動(dòng)渦輪副桿完成傳動(dòng)工作。肘關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)是擺動(dòng)螺旋式的結(jié)構(gòu)，這一關(guān)節(jié)的特點(diǎn)是比較穩(wěn)定、構(gòu)造簡(jiǎn)單。并且這一關(guān)節(jié)的電機(jī)也是直流力矩電機(jī)。
在實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)的過程中，機(jī)械手采用的是電位器反饋的方式來完成對(duì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位置的判斷，電位器安裝在腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的末級(jí)齒輪中心軸同軸，肩關(guān)節(jié)蝸桿軸以及肘關(guān)節(jié)連接銷軸同軸。其順序控制形式是通過PLC電位控制來實(shí)現(xiàn)，比如要完成腰關(guān)節(jié)從靜止位置到旋轉(zhuǎn)一個(gè)設(shè)定的角度這個(gè)動(dòng)作，PLC控制系統(tǒng)其通過輸出電路驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)腰關(guān)節(jié)的直流力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)該關(guān)節(jié)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)設(shè)定的角度位置時(shí)候，電位器檢測(cè)到該位置的反饋信號(hào)，PLC控制系統(tǒng)判斷機(jī)械手已經(jīng)完成了目標(biāo)指令，其控制輸出回路斷電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)停止，則腰關(guān)節(jié)正好到達(dá)程序命令的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，則PLC自動(dòng)進(jìn)入下一步程序進(jìn)行動(dòng)作輸出。
2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)上文提到的各關(guān)節(jié)動(dòng)作控制完成方式可以看出，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包含輸入電路、輸出電路以及控制系統(tǒng)本身三個(gè)部分。
2.1輸出電路
作為輸出電路的執(zhí)行部件，直流力矩電機(jī)在線性度以及反應(yīng)速度方面具有其它電機(jī)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該類型電機(jī)也可以滿足長(zhǎng)期運(yùn)行在低速甚至堵轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)。
為了滿足PLC對(duì)各關(guān)節(jié)動(dòng)作的順序控制，輸出電路對(duì)電機(jī)控制通常采用開關(guān)控制的形式，只要使用符合控制要求的繼電器輸出型PLC，就能使用該P(yáng)LC對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行直接的驅(qū)動(dòng)，從而從電路設(shè)計(jì)角度就大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常直接，PLC內(nèi)部程序得到執(zhí)行指令后，其設(shè)定用于控制動(dòng)作輸出的繼電器線圈得點(diǎn)，相應(yīng)串接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路的繼電器觸點(diǎn)OUT閉合，執(zhí)行電機(jī)得電開始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)執(zhí)行元件按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，直到接受到完成系統(tǒng)指令后，繼電器觸點(diǎn)OUT打開，電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)等待下一個(gè)指令。如同常用電路一樣，電機(jī)控制回路也可以通過橋式以及分級(jí)的接線方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和順序控制。
2.2輸入電路
PLC控制系統(tǒng)的輸入量IN直接取自安裝在機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的電位器，電位器的安裝位置需要根據(jù)規(guī)定的機(jī)械手動(dòng)作范圍來設(shè)定，當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作范圍到達(dá)設(shè)定的某個(gè)位置時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的電位器其輸出的模擬電壓信號(hào)直接反饋給PLC控制系統(tǒng)，PLC通過比較給定位置的電位與接受到位置電位的大小來判斷，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC內(nèi)部程序驅(qū)動(dòng)相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的輸出電路動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)該指令執(zhí)行的完畢，從而轉(zhuǎn)入下一指令。IN點(diǎn)的內(nèi)部設(shè)有光電耦合電路，來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部強(qiáng)電弱電的隔離。一旦活動(dòng)關(guān)節(jié)在執(zhí)行指令時(shí)候電位器返回的信號(hào)與設(shè)定的范圍比較失敗，則程序自動(dòng)判斷執(zhí)行失敗，該關(guān)節(jié)返回到初始位置后，該程序重新被執(zhí)行，這種回路的設(shè)計(jì)從硬件層面保護(hù)了機(jī)械部件，避免電機(jī)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)錯(cuò)誤的拖入不應(yīng)該的位置而造成設(shè)備損壞。
2.3選擇PLC
在確定了控制系統(tǒng)的外部輸入輸出電路之后，接下來就可以進(jìn)行輸入輸出方式的設(shè)計(jì)階段，決定PLC選型的主要參數(shù)就是滿足輸入輸出方式所需要的輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)、內(nèi)部用于延時(shí)的時(shí)間繼電器數(shù)量。在本次的PLC選型的過程中，考慮到這種機(jī)械手有12個(gè)輸入點(diǎn)，9個(gè)輸出點(diǎn)以及7個(gè)用于延時(shí)的時(shí)間繼電器，綜合考慮到造價(jià)成本以及后續(xù)拓展需要，方案選擇日本歐姆龍公司生產(chǎn)OMRON- C28P型PLC。這種PLC完全能滿足三自由度工業(yè)機(jī)械手的順序控制要求。
3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)按照以下六步的順序進(jìn)行：
1)確定系統(tǒng)順序控制次序及功能;
2)制定輸入輸出分配表;
3)建立適合系統(tǒng)的控制關(guān)系;
4)繪制梯形邏輯分析圖;
5)編譯代碼程序;
6)通過終端輸入到P LC主機(jī).
PLC順序控制系統(tǒng)軟件必須滿足以下三個(gè)原則：
1)系統(tǒng)總開關(guān)閉合時(shí)，各關(guān)節(jié)部分分別復(fù)位回到各自的初始位置，之后開始執(zhí)行順序動(dòng)作命令;
2)當(dāng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到上限或下限位置時(shí)，在接近設(shè)定動(dòng)作位置時(shí)電機(jī)要有減速過程，同時(shí)在到達(dá)位置后執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止1秒后才能進(jìn)入到下一個(gè)動(dòng)作過程;
3)系統(tǒng)總開關(guān)斷開，全部動(dòng)作停止，在原位置待命。
4結(jié)語(yǔ)
基于PLC控制的工業(yè)機(jī)械手不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三自由度機(jī)械手各關(guān)節(jié)獨(dú)立以及整體運(yùn)動(dòng)，完成生產(chǎn)線上下料的自動(dòng)循環(huán)，同時(shí)綜合控制系統(tǒng)還能完成多個(gè)機(jī)械手之間的協(xié)同配合，從而完成料物的連續(xù)搬運(yùn)。同時(shí)該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，也可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行操作指令調(diào)整，滿足了系統(tǒng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用的需要，維護(hù)簡(jiǎn)單。
參考文獻(xiàn)：
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