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1、基于PLC控制及气动驱动的工业机械手的设计与实现 工业自动化发展的须要，机械手在工业应用中越来越重要。为了提高机械手在工业生产中的定位精度，笔者介绍一种基于PLC限制及气动驱动的九自由度机械手的设计方案。该方案具体阐述了机械手的物理选型、结构特点、驱动方式、限制原理，以及相应的硬件设计和软件编程的实现过程。通过本次设计，工业机械手将大大改善工人的劳动条件，显著提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 关键词：PLC限制 气动驱动 工业机械手 在工业生产领域中，工人在工作的时候常常会遇到高温、腐蚀和有毒气体的侵害。这些侵害不仅加大了工人的劳动强度，而且还会危及工人的生命平安。为了减
2、轻工人的劳动强度，保障工人的生命平安，工业机器人由此诞生。 工业机器人执行机构是机械手，它可以仿照人手动作，根据指定的程序和预定的轨迹进行自动抓取和搬运，实现工业现场操作的自动化。机械手按驱动方式可以分为液压式、气动式、电动式和机械式。可编程限制器是特地为工业应用设计的利用数字运算操作的电子装置。它具有牢靠性高、功能强大、编程简洁、人机交互界面友好等特点，广泛应用于工业限制系统中。 笔者设计了一款PLC限制的气动驱动式机械手，实现机械生产过程中的自动上料、下料等装卸任务，从而达到提高工业自动化生产效率的目的。 一、机械手组成 机械手主要由执行机构、气动驱动系统、限制系统以及位置检测装置等所组成
3、。组成如图1所示。 图1 机械手组成限制原理方框图 其中执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。气动驱动系统包括利用气体压力来驱动机械手执行机构的动力装置、调整装置和协助装置。PLC是限制机械手动作的限制系统。 二、气动机械手设计方案 气动机械手的特点是快、稳、准，要求能够快速、精确地拾放和搬运物件，而且要有足够的空间、敏捷的自由度以及随意位置的自动定位等。 1.物理选型：坐标式选择与自由度分析 图2 机械手结构示意简图 依据机械手手臂的运行方式不同、组合状况，其坐标可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。对于本次设计的机械手须要实现在上下料时实现手臂的升降、收
4、缩和回转运动，所以采纳圆柱坐标。为了弥补升降运动行程比较小的缺点，故增加手臂摇摆结构，即增加了一个手臂上下摇摆的自由度。这样，手臂有四个自由度，包括手臂的上下升降、左右回转、前后伸缩，上下摇摆，若将立柱的横向移动包含在内，手臂有5个自由度；手腕有左右回转和左右摇摆两个自由度，手指有开闭运动和上下摇摆两个自由度。整个系统共有九个自由度）。 2.结构方案设计 手指。考虑机械手的通用性，故把手指结构设计成可更换性，比如棒料可以用夹持式手部夹取，板料则要用气流负压式吸盘吸取。用1个汽缸限制开闭， 1个电动机限制上下摇摆。 手腕。考虑机械手的通用性，且被抓取的工件是水平放置的，手腕设计成回转结构，由2个
5、回转电动机来驱动手腕进行回转运动和左右摇摆。 手臂。依据抓取工件的要求，机械手的手臂设有五个自由度，包括手臂的上下升降、左右回转、前后伸缩，上下摇摆以及立柱的横向移动。手臂的回转和升降是由立柱来实现的，立柱的横向移动也就是手臂的横移、手臂的各种运动都是由5个汽缸或电动机来驱动实现的。 3.驱动方案设计 机械手的驱动采纳气动驱动方式。气压传动系统的反应比较灵敏，动作比较快速，阻力产生的损失较小，泄漏也比较小，成本低。 图3 气压传动系统工作原理图 气源由空气压缩机通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入并联气路上的电磁阀，以限制机械手动作。 各执行机构调速，凡是能采纳排气口节流
6、方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简洁，效果尚好。手臂伸缩汽缸在接近汽缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调整全程的速度。升降汽缸采纳进气节流的单向节流阀以调整手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调整仍采纳在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成，气液传送器汽缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。 为简化气路，削减电磁阀的数量，各工作汽缸的缓冲均采纳液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调整阀或行程节流阀的气路阻尼元件。 4.限制方式选择 为了增加机械手的通用性，同时采纳点位限制，我们采纳可编程限制器来限制机械手的运动。我们只须要变更
7、PLC程序，就可以变更机械手的动作流程，运用起来特别便利。 PLC的结构。PLC是一种专用于工业限制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，一般由中心处理器、编程器、系统存储器、用户存储器和电源组成。 中心处理单元是PLC的限制中枢。它根据PLC系统程序给予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 系统输入/输出分布表见表1，电磁阀和系统输出对应表见表2。 电路的总体设计。由于篇幅的关系，笔者仅列出含5个主要自由度的电路设计，并以此来进行PLC编程，回路设计见图6。 图6 系统实现功能示意图 机械手的程序设计
8、。自动线的输送动作由步进电动机带动实现间隔输送，实现设计要求的输送状况。其工作的过程是：机械手首先处于初始位置，然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走，此时传送带上的光电检测开关检测到工件被取走。然后传送带起先转动，当检测到下一个工件时传送带停止转动等待机械手来取工件，只要机械手取走工件，传送带就起先转动，这样设计是为了节约工作时间从而不会出现机械手等待传送带的时间。对程序的要求如下：首先启动机械手。机械手自动复位，处于初始位置。在机械手工作前要对其进行设备的检测。即机械手空运行一次，而且机械手的每一个动作都有相应的定时器进行监控，若超出规定的运行时间则认为是设备出现故障。机械手设有急停
9、按钮只有出现紧急状况时才允许按此按钮。按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联系，将被切断各汽缸处于无动力状态。 步进电动机的运行限制。由于对传送带的速度和精度要求不太高，选择三相步进电动机通电方式为三相双三拍，利用PLC中的M8014特别功能继电器向环形脉冲安排器中发送脉冲，然后经光电转换和功放电路驱动步进电动机。 环形脉冲安排器选择YB01芯片，此芯片为专用三相步进电动机环形脉冲安排器，此芯片工作稳定、性能优良，在实际生产中被广泛应用。 步数限制。当对射式光电检测开关检测到共建的位置时，此时停止向脉冲安排器中发送脉冲，步进电动机将停在此位置不动。 手动限制步进电动机。当按下手动启动步进电动机按钮
10、时，M8013即向环形脉冲安排器中发送脉冲，步进电动机起先转动；当按下停止按钮时，步进电动机将停止。 在报警和暂停状态下，步进电动机也将停止转动。 由此可见，步进电动机限制程序如下： 各模块的程序设计。 程序初始化。采纳中间继电器M8002，中间继电器对系统各部分复位，定义各种标记包括系统初始化标记，系统启动暂停、急停、复位等标记，程序如下： 定义系统复位标记M0。M0定义为系统初复位标记，它由机械手的右限位开关X0，下限位开关X5，收缩限位开关X3，手腕右转限位开关X10同时激活，程序如下： 定义系统启动标记M1。M1定义为系统启动标记由启动按钮和M0共同激活，程序如下： 定义暂停标记M2。
11、M2为暂停标记由暂停按钮激活，程序如下： 定义急停标记M4。M4定义为急停标记，由急停按钮X19激活M4，同时激活特别功能继电器M574，平安阀将储气罐与机械手的联系切断，程序如下： 定义系统复位标记M5。M5定义为系统复位标记，由复位按钮激活，当按下复位按钮系统时将向右转，手腕右转，手臂收回，机械手下降，机械手右转的依次进行复位。当最终一个动作完成、下限位开关有效时，程序将执行RST M5，程序如下： 机械手自检程序。机械手根据给定的依次空执行一次，在每一个动作执行的过程中都会有定时器对每个动作进行监控。若超过设定时间则认为是机械系统出错，停止当前的动作发出报警信号，程序如下： 自动运行程序
12、。此模式为机械手工作的主要模式，这部分采纳具有保持功能的状态组件S500-S8101，可以让机械手在断电后再次通电接着执行断电前的动作，程序如下： 三、结语 总之，本次设计的是气动通用机械手。相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，限制程序可调，因此适用面更广。采纳气动式驱动，动作快速，能够实现精确定位，自动定位，限制性能好，能够很好地适应各种恶劣的工作环境，不会因环境改变影响传动及限制性能。而且阻力损失和泄漏较小，不会污染环境，同时成本低廉。采纳PLC限制，牢靠性高、可编程性强，无论是进行时间限制，或是进行行程限制、混合限制，都可通过设定PLC程序来实现，依据机械手的动作依次修改程序，使机械手的通用性更强，很好地适应了工业限制的要求。 参考文献： 1李建国.基于PLC的气动机械手的改装设计J.液压与气动，2022. 2关明，周希伦，马立静，宋蔚.基于PLC的机械手限制系统设计J.制造业自动化，2022. 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页