搬運(yùn)機(jī)械手具有靈活、靈活的特點(diǎn)，用于零件或成品在固定位置的移動(dòng)，代替手工作業(yè)，加快生產(chǎn)節(jié)奏，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，它被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)生產(chǎn)線切割作業(yè)中，特別是在有毒、易燃、易爆的環(huán)境中。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，簡(jiǎn)單、可靠和易于操作已經(jīng)成為機(jī)器人發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。交流伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有易于控制運(yùn)動(dòng)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。本文從穩(wěn)定性、可靠性、易操作性和各種控制部件連接的靈活性和方便性的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了U型機(jī)械手，由PLC和觸摸屏控制，以交流伺服電機(jī)和氣缸為動(dòng)力源。

U型板材搬運(yùn)機(jī)械手是整個(gè)冰箱生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備的一部分。主要任務(wù)是將U型殼從彎曲的生產(chǎn)線運(yùn)送到另一條生產(chǎn)線，將U形殼的姿態(tài)從垂直向水平轉(zhuǎn)換，整個(gè)工作周期小于15s。圖1中示出了移動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這是一個(gè)模型DI。由PROE三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建的整個(gè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，主要由水平運(yùn)動(dòng)部件、垂直運(yùn)動(dòng)部件、橫梁、大臂和小臂組成。水平方向由交流伺服電機(jī)通過(guò)行星齒輪驅(qū)動(dòng)，然后通過(guò)齒條帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手在橫梁上做水平直線運(yùn)動(dòng)；垂直方向由交流伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠減速帶驅(qū)動(dòng)。T在直線上垂直運(yùn)動(dòng)，末端由轉(zhuǎn)軸圓筒圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，爪由四個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)。真空吸盤采用真空吸附原理，增加U盤的夾緊力。此外，垂直平衡缸可以通過(guò)輸出力平衡整個(gè)機(jī)械手，重力也可以增加垂直剛度。

機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)、夾緊和吸附由相應(yīng)的電信號(hào)控制，而電磁閥的控制信號(hào)由PLC發(fā)出，由于U型板的寬度不同，采用刻度和端鎖選擇氣缸。汽缸可以根據(jù)傳感器的位置在表面刻度的刻度上確定啟停位置，兩個(gè)開(kāi)閉缸由23個(gè)位置五端口電磁閥控制，兩個(gè)內(nèi)支撐缸由22 F控制。當(dāng)2DT和4DT、7DT和8DT通電，5DT和6DT失電時(shí)，開(kāi)缸驅(qū)動(dòng)大臂，小臂從外向移動(dòng)，內(nèi)支撐缸驅(qū)動(dòng)擋板完成U型板從內(nèi)側(cè)的運(yùn)動(dòng)。在完成運(yùn)動(dòng)完成后，氣缸在壓力狀態(tài)下鎖定，兩個(gè)氣缸在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后被鎖定在端鎖上，當(dāng)1DT和3DT、7DT和8DT通電時(shí)，5DT和6DT帶電，手開(kāi)始移動(dòng)，1DT和3DT，7DT。在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，8DT被破壞，此時(shí)手被松開(kāi)，當(dāng)兩個(gè)臂保持同一U形板時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)向缸由兩位五通閥控制。當(dāng)9DT帶電時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)兩個(gè)小臂旋轉(zhuǎn)，小臂在斷電后旋轉(zhuǎn)，當(dāng)11DT和13DT通電時(shí)，4個(gè)真空吸盤開(kāi)始隨手爪的保持動(dòng)作而抽空，并增加夾緊力以保證。U板運(yùn)動(dòng)的安全性。當(dāng)1LDT和13DT被切斷，10DT和12DT通電時(shí)，真空吸盤被抽真空，U型板放置在生產(chǎn)線上，平衡缸由精密減壓閥控制，使氣缸下腔保持在設(shè)定壓力下。為了抵消機(jī)械手的重力，保證垂直交流伺服電機(jī)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩相等。系統(tǒng)氣動(dòng)回路如圖2所示。由于機(jī)械手的氣動(dòng)傳遞，系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)中考慮了減震、緩沖和安全，特別是在旋轉(zhuǎn)極限增加擋板的同時(shí)，增加了液壓阻尼器來(lái)吸收臂轉(zhuǎn)動(dòng)的能量，減少整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)。

在該設(shè)計(jì)中采用了CPLHX40DT-D系列PLC 21。該P(yáng)LC是歐姆龍的基本類型，具有24個(gè)輸入端和16個(gè)輸出端，由于輸出點(diǎn)數(shù)大，繼電器輸出擴(kuò)展模塊有16個(gè)輸出端口，伺服電機(jī)由脈沖輸出端口輸出的PWM信號(hào)控制。CW／CW和脈沖+方向有兩種控制方式。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，使用了CW/CCQ控制模式，I/O分布如圖3所示。

由于機(jī)械手操作的結(jié)束，兩個(gè)伺服電機(jī)和每個(gè)氣缸的位置是任意的，因此伺服電機(jī)和氣缸需要在機(jī)器啟動(dòng)之前初始化，具體操作如下：X軸電機(jī)返回零，Z軸電機(jī)返回零；機(jī)械手的機(jī)械零點(diǎn)位于工作空間的右上角，兩個(gè)坐標(biāo)軸用零位信號(hào)歸零為零，第一個(gè)歸零為正高速返回到零，第二返回T為零。0是一個(gè)反向低速返回到零，第三是一個(gè)正的低速返回到零。此時(shí)的零位是機(jī)械零位，即硬零點(diǎn)。為了便于機(jī)器在指令后返回到零，它將使用INI命令將工作空間中的右下點(diǎn)指定為軟零，可伸縮氣缸和內(nèi)支撐缸處于爪的松動(dòng)狀態(tài)，并且旋轉(zhuǎn)氣缸縮回。手臂的大臂在同一條直線上。

系統(tǒng)設(shè)置后，交流伺服電機(jī)可以通過(guò)讀碼板顯示兩電機(jī)相對(duì)于軟零點(diǎn)的位置。在操作過(guò)程中，由于實(shí)際工作條件和避障要求，機(jī)械手需要沿著折線行走，如圖4所示，機(jī)械手處于零點(diǎn)后的M點(diǎn)，通過(guò)PLC指令設(shè)定軟零點(diǎn)0點(diǎn)。在自動(dòng)程序開(kāi)始運(yùn)行后，操作者沿著最短路徑運(yùn)行到起點(diǎn)B.，當(dāng)前線完成時(shí)，機(jī)械手接受指令進(jìn)入循環(huán)，通過(guò)教不同類型的U平臺(tái)來(lái)獲得運(yùn)行軌跡中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。通過(guò)比較兩個(gè)伺服電機(jī)中的脈沖值和教學(xué)坐標(biāo)值來(lái)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，并在圖5中示出機(jī)械手的自動(dòng)循環(huán)圖。

為了實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互性能，采用了觸摸屏和歐姆龍PLC，該觸摸屏具有方便的操作和通訊宏指令、良好的配方功能以及在線脫機(jī)仿真功能。

由于U型板的種類不同，前生產(chǎn)線的夾點(diǎn)C、生產(chǎn)線的H和各避障點(diǎn)的坐標(biāo)將發(fā)生變化，寬度方向調(diào)整手動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器在氣缸上的位置，手動(dòng)調(diào)節(jié)O。觸摸屏調(diào)整界面如圖7和圖8所示，首先通過(guò)調(diào)整接口1，建立自動(dòng)模式下運(yùn)行軌跡各段的減速、減速值和關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)。在調(diào)整界面2中，點(diǎn)擊。運(yùn)行到C點(diǎn)按鈕，操作器運(yùn)行到C點(diǎn)，點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置啟動(dòng)按鈕，根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)，根據(jù)上下按鈕，通過(guò)SE精確調(diào)整夾緊點(diǎn)C的位置。RVO電機(jī)，左側(cè)可顯示電機(jī)坐標(biāo)值，也可改變電機(jī)運(yùn)行速度，調(diào)整后，單擊保存參數(shù)設(shè)置按鈕，后線位置點(diǎn)H調(diào)整，用前點(diǎn)設(shè)置。

PLC程序和觸摸屏編輯接口通過(guò)PC機(jī)嵌入到可編程控制器中，通過(guò)教學(xué)接口發(fā)現(xiàn)與U型板模型對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在J-PLC存儲(chǔ)器中，整個(gè)周期時(shí)間小于15S T。IME限制，有必要設(shè)置每個(gè)部分的速度和加速度。速度脈沖為60000（0.754），加速度為120（0.377），周期為14s，整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)較小，符合設(shè)計(jì)要求。

本項(xiàng)目采用PLC和觸摸屏控制各種U型板的處理過(guò)程，充分考慮了操作者的安全性和方便性，使PLC運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而且由于PLC和T的強(qiáng)大的控制和操作功能。OUCH屏幕，功能擴(kuò)展非常方便，為后續(xù)生產(chǎn)線改造提供了便利。

{ 1 }王瑋，王宇鳳。基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手研究{J}.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.4（24）：135.136。


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