机械设计论文：基于PLC的工业机械手控制系统设计

机械设计论文：基于PLC的工业机械手控制系统设计基于PLC的工业机械手控制系统设计摘要机械手是一种模拟人类操作的自动机器，能按规定的程序掌握和处理物体或工具，完成一定的操作。工业机械手通常作为机床的附加设备，如在自动机床或自动生产线上装卸和转移工件，在加工中心更换工具。专用机床上进行深孔镗孔的装卸工业机械手，可以完成工件的装卸，实现机床的自动化，提高生产效率。传统的机械手自动控制系统由继电器接触器控制组成，故障多，可靠性差，使用寿命短，维护困难。随着PLC的普及和改进，以及PLC本身的高可靠性和易于编程修改，使用PLC控制工业机械手将取得良好的效果。PLC已成为市场上成熟的产品。本文采用PLC控制工业机械手，给出了基于PLC的工业机械手控制系统的设计。结合工业机械手的基本原理和工作流程，完成工业机械手控制系统的总体框架，给出其软硬件设计方案。关键词：PLC；机械手；电气控制引言工业机械手（以下简称机械手）是现代自动控制领域的一项新技术，已成为现代制造生产系统的重要组成部分。机械手的快速发展是由于其积极的作用越来越受到人们的认可。首先，它可以部分取代手动操作。其次，它可以根据生产工艺的要求和一定的程序、时间和地点完成工件的转移和卸载。第三，它可以操作焊接和装配所需的机器和工具。因此，它可以大大改善工人的工作条件，显著提高劳动生产率，加快工业生产机械化和自动化的步伐。因此，机械手受到了先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力进行研究和应用，特别是在高温，高压，粉尘，噪声和放射性及污染场所，其应用更为广泛。随着现代工业生产的快速发展，机械手在世界上得到了广泛的应用。因此，机械手的控制要求越来越高。如果采用传统的继电器控制方案进行控制，势必会造成系统元件多，布线复杂，稳定性差，故障率高等问题，给工业生产带来诸多不便。针对这些问题，如果采用性价比高的PLC来设计其控制系统，系统可以具有较高的运行可靠性，故障率低，维护方便，工作效果好。一、机械手设计时应考虑的问题（1）应具有足够的握力在确定手指握力时，除了工件的重量外，还应考虑在传动或操作过程中产生的惯性力和振动，以确保工件不会松动或下降。（2）手指间应有一定的开合角。两指开合的两个极限位置之间的夹角称为手指的开合角。手指的开合角度应保证工件能顺利进出。如果夹紧不同直径的工件，则应考虑直径最大的工件。对于移动手指，只需要打开和关闭范围。（3）应确保工件的准确定位为了保持手指与夹紧工件之间的准确相对位置，必须根据夹紧工件的形状选择具有相应形状的手指。例如，圆柱形工件使用带有“V”形表面的手指自动定心。（4）具有足够的强度和刚度除了夹紧工件的反作用力外，手指还受到机械手在运动过程中产生的惯性力和振动的影响。需要足够的强度和刚度，以防止断裂或弯曲变形，但结构应尽可能简单紧凑，重量轻，手的重心在手腕的旋转轴上，从而使手腕的扭转力矩最小化。（5）应考虑对抓取物体的要求1)夹持器的形状应根据工件的形状设计。若工件为圆柱形，则应使用V形手指，圆形工件应使用弧形三指，方形材料应使用平面形手指，细线工件应使用尖指钩或细齿爪形手指。总之，手指形状应根据工件的形状选择。2)夹持器部分的尺寸应尽可能恒定。如加工后尺寸发生变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不得指定为握力部分。为了获得高质量的工件表面，请避免接触高质量的表面和软热膜(例如。橡胶，泡沫，石棉衬里)在手指上，以防止在夹紧过程中损坏工件。3)如果用一对手指抓住多个工件，可以在手指上添加弹性垫，如橡胶和泡沫，以防止单个工件松动或掉落。对于较长的工件，可以使用两个或多个手指来抓取。（6）应考虑手指的通用性。手指是一个特殊的部分。为了满足小批量不同形状，大小和各种工件的要求，可将其制成组合手指。手指需要结构简单，安装维护方便，更换方便。二、工业机械手控制系统总体设计工业机械手主要由手，手腕，前臂和大臂组成。能完成手的夹紧和松开，手腕的左右侧移，前臂的伸展和摆动以及大臂的摆动。所有动作均由气缸驱动。控制系统采用三菱FX2N系列PLC，目前应用广泛。根据机械手的工作要求，机械手的整个工作过程是：在初始位置卸载。具体工作流程如下：初始位置（手臂垂直，前臂水平延伸，手腕向右移动)，手指松动)-手指夹紧(抓住夹头上的工件)-手腕向左移动(从夹头上拆下工件)-前臂向上-手臂向下-手指释放(将工件放置在材料机架上)-手臂收缩-材料机架旋转-手臂再次突出-手指夹(抓取工件要被处理)-手臂向上(从材料机架上拆下工件)-手臂半手腕右移动(机械手安装在深孔钻孔机的主轴卡盘上)-手指释放(返回初始位置），完成一个装卸过程。机械手具有结构简单，动作迅速，安全可靠，使用寿命长等特点。已成为现代工业的关键设备之一。在气动工作环境下实现工业机械手的控制系统，特别是采用自动和手动控制方法相结合的方式实现相关的活动控制。基于PLC控制器，设计工业机械手控制系统，主要采用上下升降和平面旋转的结构。机械手由气缸驱动，气缸由相应的电磁阀控制，电磁阀由PLC控制。工业机械手控制系统通过特定的算法实现物理量的输入输出，从而获得相关的控制信息，达到智能控制的目的。在具体的运动分析中，需要实现机械手的基本功能，如拉伸、旋转、垂直、抓取和释放，以实现运动控制。核心过程的完成时间是决定控制系统运行效率的关键。因此，给出了工业机械手控制系统的总体设计方案，如图1所示。图1基于PLC的工业机械手控制系统总体设计方案PLC主从控制、触摸屏、电磁阀、电磁阀、报警、压力变送器、指示灯等部件是基于PLC的工业机械手控制系统的关键部件。三、工业机械手控制系统硬件设计（一）主电路机械手工作时，必须先启动电机，操作电磁阀驱动机械手。变压器向信号指示器提供6.3V交流电。整个电路采用热继电器FR保护，可长时间过载。通过LCD控制面板的输入实现PLC的自动控制，设计了手动，返回原点，自动三种工作模式，由开关SA选择。如果选择SA到自动位置，请按下启动按钮，工业机械手将根据装卸顺序自动工作，并根据时间原则自动循环。装卸过程完成后，机械手将回到初始位置等待。用深孔镗床加工零件后，机械手将自动重复装卸动作等。（二）PLC选择本文选用三菱FX1NPLC作为气动机械手控制系统的核心控制部分。三菱FX1NPLC具有丰富的特殊功能模块或功能扩展板。基本功能由中央处理单元(CPU)、I/O接口电路、通信接口、存储器等基本部件实现。三菱FX1NPLC可有效控制工业机械手的各个部件。（三）I/O接线选择PLC后，必须配置PLC控制系统的输入/输出点。结合工业机械手的工作过程，配置22个输入点和11个输出点。具体I/O接线见图2。在控制系统中，开关信号为输入信号，限位开关和各种按键，用于机械手的工作状态。输出也是开关信号，主要包括控制继电器的信号和报警及指示灯的信号。四、工业机械手控制系统软件设计结合工业机械手的工作过程，主要包括以下几个子过程：旋转气缸向左摆动，水平气缸延伸，垂直气缸延伸，气爪夹紧工件，垂直气缸返回，水平气缸返回，摆动气缸返回到原来的位置，水平气缸延伸，垂直气缸延伸，垂直气缸返回，水平气缸返回到原来的位置等。根据工业机械手的工作环境，在机械手工作时调整电磁限位开关，实现机械手的控制。在特定的操作中，为机械手的每一个动作设置一个设备控制按钮，使手动控制按钮便于检测和控制，并在电磁阀上实现相应的功能。工业机械手自动程序由单循环，连续和单步程序组成。主要采用连续标志和转换权限标志来区分单循环和连续单步三种工作模式。工业机械手主要用于装卸深孔镗床。其自动工作过程为顺序动作。每个动作完成后，当转换条件建立后，会自动切换到下一个动作，因此可以使用STEP命令进行顺序控制。将PLC连接到仿真测试板进行测试，其接线图如图3所示。电机和机械手的启动是顺序启动关系，但当电机停止时，机械手也会停止工作。PLC通过现场状态输入、控制面板和控制系统的外部输入命令确定系统的运行模式，并能显示系统状态。仿真程序简单，易于修改，实验结果准确。五、结论改造后的控制系统应用结果表明，用PLC对系统电气控制部分进行更新，提高原有设备的可靠性是可行的。大大降低了机床的电气故障率和机床的停机时间。在PLC发生故障后，通过PLC自己的自诊断程序可以快速找到零件和部件。更换后可恢复正常运行，大大方便了维护，有效降低了维护成本。经过机械手控制系统的改造和设计，为工厂节省了加工成本，进一步提高了加工设备的效率和潜在价值，达到了提高生产效率的目的。工业机械手控制系统采用PLC进行手动和自动控制，实现回缩，旋转，垂直，抓取和释放的基本功能。实现了机架各楼层各工作位置之间机械手的操作。不仅提高了工业生产速度，而且有效降低了工人劳动强度，节约了生产成本，具有重要的实际应用价值。参考文献1张志强.PLC在工业机械手控制系统中的应用与技术研究J.山东工业技术,2018,000(011):129.2王朝阳.基于PLC的工业机械手控制设计与组态监控J.山东工业技术,2015(04):168-169.3景远程,刘文婷.基于PLC的机械手控制系统设计J.科技展望,2017,027(016):145.4蔡爱民.基于PLC的机械手控制系统设计J.中国设备工程,2017,No.384(24):135-136.5朱彬.基于PLC的气动机械手控制系统设计J.数字通信世界,2017,000(005):266-267.6李新颜.基于PLC的气动机械手控制系统设计J.城市建设理论研究(电子版),2015,005(036):2814.