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五自由度機械手的自動控制

作者: yhsstools 時間:2019-08-24 來源:未知
摘要:機械手采用PLC和單片機控制步進電機、直流電機和舵機,借助傳感器控制機械手的自由度,方便、準確地實現機械手的位置控制,完成物料搬運任務。...

機械手是最早的工業機器人,它可以模仿人的手和手臂的某些動作功能,從事工業生產、抓取、搬運等自動操作設備。它可以在各種惡劣的環境中工作,完成工人不想完成或不能完成的危險和繁重的工作,減少勞動強度,保證工人的人身安全,改善工作環境。同時具有自動化程度高、效率高、精度高等優點。廣泛應用于冶金、汽車制造、輕工、化工等領域。本文采用PLC和單片機技術對機械手進行控制,實現了對小圓柱形工件的反復準確處理。

圖1 機械手裝配效果圖

圖2 手爪結構圖

1.機械手結構

機械手由底座、臂部、手腕和手部組成,圖1為機械手的裝配效果圖。

為了擴大運動范圍,整個機械手可以沿導軌水平運動,由步進電機驅動,通過同步齒帶驅動矩陣,實現整個機械手的水平運動?;捎貌竭M電機驅動實現旋轉,節省了傳動過程,具有較高的傳動效率。由于位置塊有限,旋轉有一定的角度限制。大臂、小臂和手腕的旋轉由三臺直流電機直接驅動,用于調整手臂的姿態。底座內有一定的空間,旋轉座椅和大臂來加載驅動電機。大臂驅動電機直接通過固件驅動大臂驅動,傳動效率高,小臂驅動電機驅動小臂通過齒形帶旋轉,傳動比高且穩定。該爪用于抓取工件的關鍵部件,考慮工件的形狀,選擇改進的V形手指,將V形轉向圓弧,更適合于圓工件的夾緊,如圖2所示。爪由舵機驅動,主動輪與舵機連接,驅動從動件輪旋轉,將轉向機構的旋轉轉化為手指的夾緊和松動作用。

該機械手不考慮手爪夾緊和松開,具有五個自由度,分別為基體平移、底座旋轉、大臂旋轉、小臂旋轉和手腕旋轉。其主要運動參數有基體水平移動范圍0~800mm;②底座旋轉范圍-160°~150°;③大臂的有效轉動范圍為30°~150°;④小臂的轉動范圍均為0°~220°;④手腕的轉動范圍為±180°;⑤手爪最大張緊力為15kg。

2.機械手控制要求

五自由度機械手要求能在6個工位之間完成工件搬運,各工位點位置圖如3所示。

機械手有手動和自動兩種工作方式。手動操作時,機械手可以分別控制大臂、小臂、手腕和爪的運動。當機械手自動工作時,機械手完成了復位、喂入、喂料等一系列動作。

復位時,按“復位”按鈕,機械手座旋轉到原來的位置,水平移動到左側原位傳感器停止,大臂、小臂、手腕和手爪都處于復位狀態,等待。如果機械手在操作過程中,按“復位”3s,系統就復位。

拾取物料時,復位完成后,按“開始”按鈕,水平移動機械手,將基座旋轉到位,并在指定的位置完成一系列拾取動作。

進料時,機械手完成后,機械手水平移動,基座就位旋轉,在目標站上完成一系列的卸料部件。完成后,機械手被重置并自動停止。

如果機械手在移動過程中,按下“停止”按鈕,機械手完成當前動作并停止運行,按下“啟動”按鈕,機械手繼續下一個動作;按“緊急停止”開關,機械手立即停止所有動作,此時,如果需要再次運行機械手,則需要在復位完成后,再按“復位”按鈕,才能重新運行。

圖3 機械手搬運工位點位置圖

3.機械手控制系統

機械手電氣控制系統結構圖如圖4所示,其核心控制器采用PLC和單片機控制器相結合,PLC主要負責機械手水平位置、底座旋轉位置控制,實現精確定位;單片機控制器負責控制大臂、小臂、手腕和手爪的動作,完成手臂姿態(取工件、放工件)控制,同時PLC和單片機之間信號進行通信。人機交互設備采用觸摸屏,對機械手的操作控制除外部控制按鈕外,也可通過觸摸屏進行控制,同時,機械手的運行過程中的工作狀態和故障情況可通過觸摸屏加以顯示,方便實時監控。

圖4 控制系統結構圖

3.1 機械手硬件設計

該機械手共有6臺電動機驅動,電動機的選擇主要根據轉速和轉矩等指標,根據系統要求,電動機轉速不小于10r/min,轉矩按電動機2倍過載系數即可滿足要求。綜合分析,基體平移驅動電機選三相步進電機,驅動器選雷賽科技3ND583步進驅動器;底座旋轉驅動電機選二相步進電機,驅動器選雷賽科技M542步進驅動器;大臂電機選10r/min、30W的空心杯減速電機;小臂電機選20r/min、DC24V的直流減速電機;手腕旋轉電機選10r/min、DC24V的渦輪減速電機;手爪舵機型號CYS-S0150,最大15kg。電機的接線圖如圖5所示。

圖5 電機接線圖

為了對步進電機進行控制,PLC選擇能接收高速脈沖的晶體管輸出型可編程控制器,選用日本三菱FX1N-24MT,具有高速運算能力、同時可以輸出2路脈沖輸出控制2臺步進電動機的優點。

3.2 機械手軟件設計

PLC輸入、輸出信號及其地址編號見表1。

表1 PLC輸入、輸出信號及其地址編號表

單片機負責機械手手臂姿態的控制(取、放工件),取放信號出廠時便封裝在單片機內部,不同的輸出分配,動作也不同,取放控制信號及位置編碼信號對應單片機控制編碼見表2。

表2 取放控制信號及位置編碼信號對應表

圖6 動作流程圖

以機械手自動模式下,將2號位的工件搬運至4號位,之后再將1號位的工件搬運至3號位為例,其動作流程如圖6所示。

在PLC編程中,采用加減速高速脈沖輸出指令、PLSR指令對步進電機進行控制,通過設置脈沖頻率來設置步進電機的轉速或定位對象的運動速度。頻率越高,速度越快。通過設置脈沖數來設置步進電機的旋轉角度或定位物體的運動量,脈沖數越大,角度(移位量)就越大。同時,可以通過設定加減速時間來實現頻率的增加、頻率的穩定和頻率的減小,以滿足運動速度和位置的精度要求。

4 總結

五自由度機械手采用PLC與單片機相結合的控制方式,驅動步進電機、直流電機和舵機,借助傳感器,可由各自由度控制機械手,方便、準確地實現機械手的位置控制,完成物料搬運任務。

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