机械手的结构设计及PLC控制.pdf

结构设计andMechanicalNo.7,2023DevelopmentManagement2023年第7 期Total 243总第2 4 3期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.040机械手的结构设计及PLC控制孙晓红（尚风科技股份有限公司，山西太原030006)摘要：为进一步提升工业生产制造的水平，提高产品的质量水平，机械手的应用需求将会越来越大。根据实际应用需求完成了机械手工作流程的设计，并确定了气动机械手的基本结构；完成了机械手气动元器件的选型和PLC顺序控制功能流程的设计。经测试验证，所设计的气动机械手具有较高的控制精度。关键词：气动；机械手；圆柱坐标式；摆动油缸；气爪中图分类号：TP241文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3X(2023)07-0103-020引引言随着工业设备应用越来越广泛，机械手作为现代化生产与科技应用相结合的新型技术，该设备的应用可极大地减轻操作人员的劳动强度，减少作业人员的危险性，提升产品的精度等。根据驱动方式的不同可将机械手分为气压传动、电气传动、液压传动以及机械传动这四种方式。本文以气动传动的机械手为例开展研究，重点对机械手的结构进行设计，并根据机械手的应用需求完成对应的PLC控制设计，最终实现气动机械手在上下、左右以及伸缩六个方向的高精度、高效率动作 1-31机械手概述根据应用场合的不同可将机械手的控制方式分为手动控制和自动控制两种方式。本文结合实际应用需求设计一款自动控制的机械手，其工作流程一般如图1所示：原位（右、退）摆动缸左摆水平气缸退回垂直气缸退回放松工件水平气缸伸出垂直气缸伸出垂直气缸伸出水平气缸伸出吸持工件垂直气缸退回水平气缸退回摆动缸右摆图1机械手工作流程如图1所示，机械手的工作流程一般经历12 个路程，主要控制对象为水平气缸、垂直气缸和摆动气缸，对应的控制动作包括有上下方向的升降、前后方向的伸缩、左右方向的摆动以及夹紧和放松等 。根据结构形式的不同可将机械手分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式以及关节式四种。结合本工程机械手的应用需求，选用圆柱坐标式机械手，其结构如图2 所示，圆柱坐标式机械手的主要结构包括有垂直气缸、平移气缸、气爪以及回转缸，通过PLC控制器根据实际需求对电磁阀的开口方向、大小等进行垂直气缸平移气缸气爪回转缸图2圆柱坐标式机械手结构控制实现对上述气缸及气爪的运动方向、运动速度等参数的控制。其中，垂直气缸对应的在上下方向的工作行程为150 0 mm；回转气缸对应的工作行程角度为18 0；气爪的主要作用是对物件的夹持，夹持力通过对调节弹簧的预压压缩量进行调节而实现 5。2机械手气动控制系统的设计2.1功能模块设计根据机械手的实际应用需求以及检修排除故障的需求，为其气动控制系统配置手动、半自动以及全自动控制功能模块。其中，手动控制功能模块通过对按钮实现控制功能，对应的手动控制模块如图3所示。按钮（松与紧）机械手控制装置执行装置按钮（伸与缩）按钮（上与下）按钮(右与左)图3手动控制功能模块对于半自动操作功能模块而言，其主要是将图1中的工作流程按照顺序功能图实现。对于全自动操作功能模块而言，对于提升整条生产线的效率，降低车间内操作人员劳动强度具有重大意义。本工程将采用切换开关实现全自动工作模式与半自动工作模式的切换。2.2气动元器件的选型根据气动机械手的控制需求，需要为其配置单向阀、单向节流阀和先导式电磁阀等类型的阀门。其中，单向阀主要对气流的方向进行控制，从而实现对气动收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 5作者简介：孙晓红(19 8 6 一),女，山西晋中人，硕士研究生，毕业于内蒙古农业大学机械设计及其理论专业，工程师，从事机械设计工作。下转第10 7 页）(编辑：王婧）.104第3 8 卷机械管理开发元器件动作方向的控制。单向节流阀主要对气流的速度进行控制，从而实现对气动元器件运动速度的控制；而且，单向节流阀还可应用于延时回路的控制中。根据实际控制需求，为气动机械手配套的JSCL型单向节流阀；所配置的先导式电磁阀为三位五通电磁阀，具体型号为TG2512-06型。气缸为气动机械手的关键执行部件，其主要将空气的压力能转换为机械能。根据结构和功能的不同，典型且应用较为广泛的气缸包括有普通气缸、无杆气缸、摆动气缸、气爪等。对于气动机械手而言，在水平和垂直方向控制采用无杆气缸，该气缸的缸径比远大于活塞杆气缸，其定位精度较高、安装空间较小，比较适用于长行程且小缸径的应用需求。对于气动机械手旋转18 0 的控制需求选用摆动气缸。气爪为实现气动机械手抓取物件的核心部件，根据结构不同可分为平行气爪、摆动气爪、旋转气爪以及三点气爪等。本工程所设计的机械手为圆柱坐标式，故选用三点气爪。为气动机械手所配套的气缸类型及型号如表1所示。表1气动机械手气缸类型及型号气缸类型型号数量水平无杆气缸MY1B63G-2001垂直无杆气缸MY1B50G-2001摆动气缸MHS3-22D1气爪缸MH2系列12.3气动回路设计气动机械手要求无杆气缸在水平方向的伸缩、垂直方向的升降动作进行控制；要求旋转气缸在回转方向进行控制；要求气爪缸对气爪的抓取和泄放进行控制。因此，面临上述的控制需求，对每类型气缸的进气口和出气口采取双调速回路进行控制。双调速气动回路如图4 所示。3机械手的PLC控制针对机械手的控制需求，采用PLC控制器实现最终的控制目标。对于机械手的全自动和半自动控制目标，要求其具备顺序控制的功能。根据图1中机械手的工作流程，并考虑到当机械手在实际工作中面临停电或者故障等不可预料的问题，要求顺序控制功能中设置手动操作。设计如图5所示的PLC控制流程。图4双调速气动回路示意图手动方式手动开关X22水平伸出水平缩回垂直伸出垂直缩回向右摆出向左摆回气爪抓气爪松X1检测开关图5机械手PLC顺序控制流程根据图5的顺序控制流程图编辑PLC控制的软件，并对其软硬件进行测试。总整体上讲，所设计的气动机械手具有较高的控制精度且设备在实际操作过程中完好。在测试过程中，重点对机械手的控制精度进行验证，验证结果如表2 所示。表2机械手控制精度测试结果控制精度X轴Y轴最大值/mm0.91210.8010最小值/mm0.61730.700 6极差/mm0.294 80.1004如表2 所示，所设计的机械手在X和Y轴两个方向的控制精度均小于1mm，满足机械手的定位精度要求。4结论机械手为当前工业生产中必不可少的高精密设备，其在一定程度上提升工业制造的效率，提高产品质量的同时降低作业人员的劳动强度。本文主要针对气动机械手开展了系列研究，总结如下：1)根据实践应用需求，最终确定采用圆柱坐标式结构的气动机械手。2)根据气动机械手的功能需求，完成了单向阀、单向节流阀以及三位五通换向阀的选型；同时，结合气动机械手的动作控制目标，采用无杆气缸对水平和垂直方向的动作进行控制；采用摆动气动对其旋转动作控制；基于气爪缸实现抓取物件的功能。3)经实践测试表明，所设计的气动机械手控制精度小于1mm,具有较高的定位精度。参考文献1田素博，邱立春，张诗.基于PLC的穴盘苗移栽机械手控制系统设计 J.沈阳农业大学学报，2 0 0 7 38（1）：12 2-12 4.2喻伟闯，罗晓曙，陈赤，等.基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现 J.现代电子技术，2 0 0 9,32(11）：36-38.3 江丽珍，段海峰，赵易，等.基于PLC的注塑机械手自动取件系统设计 J.塑料,2 0 2 1,50(2)：8 2-8 6.4张铁异，何国金，黄振峰.基于PLC控制的混合型气动机械手的设计与实现 J.液压与气动，2 0 0 8(9：131-134.5赵美宁，王佳.自动供料机械手的PLC控制系统设计 J.液压与气动,2 0 0 7(9):4 9-50.Structur上接第10 4 页）R(编辑：王婧）107.陈召霞：带式输送机尾部驱动张紧力自动调节研究2023年第7 期执行电机转速延时30 增速实时监测煤量与速尾部驱动计算尾部计算实际预测尾部度匹配血处的胶驱动处驱动装置直高效运开始所需尾部预测电机转速带动张察承载胶带驱动电机控制电机输不打的紫男转速数据滑。预测当前电机转速？检测液筒的转速的压力PF模型驱动电机转速N执行电机转速#延时30 降速图5自动调节控制方法到350 2 运输巷DTL120型带式输送机上，为掌握该装置运行情况，对带式输送机运行情况进行实时监测。具体2 0 2 2 年7 月2 0 日驱动力自动调节装置运行情况如图6 所示。从图6 中看出，机尾部驱动电机转速可依据压力传感器获取得到的数据而自动调整，继而实现控制驱动张紧力自动调节。带式输送机机尾驱动张紧力始终在合理范围内，可确保带式输送机平稳高效运行。3结语带式输送机出现打滑故障与驱动滚筒张紧力偏低有密切关联，在对带式输送机实际运输煤量与电机转速关系分析基础上，构建一种基于输送带张紧力检测为基础的机尾部驱动张紧力自动调节装置。该装置结构包括有张紧力检测装置、检测反馈控制系统，并对张紧力检测装置布置以及张紧力自动调节控制方式等进行详细探讨。构建的机尾部驱动张紧力自动调节装置可实现输送带张紧力实时检测并依据检测结果预先设定张紧力区间，通过调节变频器输出电流频率实现电机转速控制，进一步调整机尾部驱动力，使得机尾部驱动力与回程输送带运行阻力相匹配，保证带式输送机高19000WVVVVN/光18000170001600000:0006:0012:0018:0024:00时刻6-1张紧力检测值60(uTu/l)/承转4020000:0006:0012:0018:0024:00时刻6-2驱动电机转速图6驱动力自动调节装置运行情况效、平稳运行。机尾部驱动张紧力自动调节装置实现张紧力、速度闭环控制，减少运行故障。参考文献1王跃锋.带式输送机拉紧装置的设计与仿真研究 J.机械管理开发,2 0 2 1,36(1):38-39.2宋瑾瑾.带式输送机永磁变频自动张紧装置研究设计 D.青岛：山东科技大学，2 0 18.3张哲维.TBM掘进机后续带式输送机关键技术研究 D.青岛：山东科技大学，2 0 18.4揭施军.输送带张紧力控制系统研究 D.太原：太原理工大学，2018.5焦黎栋.李家楼煤矿主斜井带式输送机改造设计 J.煤炭工程，2018,50(1):19-21.6侯红伟.带式输送机张紧装置布局探讨 J.煤矿机电，2 0 16（6)：49-50.esearch on Automatic Adjustment of Belt Conveyor Tail Drive Tensioning ForceChen Zhaoxia(Shanxi Xinzhou Shenda Jinshan Coal Co.,Ltd.,Baode Shanxi 036600,China)Abstract:A belt conveyor tail drive tensioning force automatic adjustment device is constructed,which includes a tensioning forcedetection device and a detection feedback device,and the structure and control mode of the device are analyzed in detail.The applicationof the device on a DTL120 belt conveyor in the 3502 transport lane shows that the automatic adjustment of the drive tensioning force at therear of the machine can achieve real-time detection of the belt tensioning force and automatic adjustment of the drive pulley speedaccording to the detection results,so as to ensure that no slippage occurs at the rear of the machine and significantly improve the servicelife of the belt and the drive pulley.Key words:belt conveyor;drive pulley;conveyor belt;tensioning force;pressure sensoral Design of Manipulator and PLC ControlSun Xiaohong(Shangfengg Technology Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030006,China)Abstract:In order to further enhance the level of industrial production and manufacturing and improve the quality level of products,theapplication of manipulators will have an increasing demand;the design of the workflow of the manipulator is completed according to theactual application requirements and the basic structure of the pneumatic manipulator is determined;the selection of pneumatic componentsfor the manipulator and the design of the PLC sequence control function flow are completed.After testing and verification,the designedpneumatic manipulator has high control accuracy.Key words:pneumatic;manipulator;cylindrical coordinate type;swing cylinder;air claw