基于PLC控制的智能机械手的设计

苏晓丹

摘要：本文针对PLC控制技术的工作原理和主要构成展开分析，通过研究自由度及坐标形式、动作顺序的确定、手部结构的设计、手部夹紧力计算、伸缩夹紧缸选择、升降缸的选取、回转缸的选用、液压系统设计、PLC程序编制、1/0 地址分配、液晶显示屏设计等要点，其目的在于提升智能机械手设计水平，提高机械手工作状态的稳定性。

关键词：PLC控制技术;智能机械手;动作顺序;坐标形式;伸缩夹紧缸

0  引言

在社会经济水平快速提升的背景下，人们对于产品质量和功能性有了新的要求，那么在生产过程中只是依靠人力已经很难满足市场需求。智能机械手的出现，不仅解放了劳动力，加快了产品的生产速度，而且机械手按照既定程序进行操作，产品的精准度也有了实质上的提升。PLC控制技术作为当下应用体系比较成熟的技术内容，通过将其应用到智能机械手设计过程中，对于进一步优化智能机械手性能有着积极地意义。

1  PLC控制技术相关内容论述

1.1 工作原理

PLC（可编程逻辑控制器）技术是依托于数字化技术与其他存储系统来完成数据信息采集、分析、存储等过程的科学手段。在智能机械手工作过程中，PLC技术主要的工作任务是进行数据信息分析和存储，在遇到相关性问题之后，可以及时通过系统来获取到所需要的相关信息，从而起到辅助工程顺利推进的作用。在具体应用过程中，首先，可以借助系统中的传感设备来完成数据信息采集的作用，并且在接收数据信息的同时还会对相应信息进行预处理，即对数据信息进行分类、筛选等操作。其次，完成初步整理的数据信息会依托于网络开始传输，在传递到主单元结构之后，主系统会对其进行评价，结合评价结果下达相应的控制指令，在执行单元完成控制之后，又会反馈到主系统当中，确定其没有问题之后，完成一组指令操作。最后，存储系统会对相关的数据信息进行整理存储，同时还会对结构进行关键词设置，便于后续系统法信息的调取，提高相关数据信息的应用价值。

1.2 主要构成

PLC控制技术作为应用体系比较完善的技术体系，具备较强的适应性和功能性。在实际应用中，该技术由许多的模块结构组成，具体内容如下：

①电源模块，工作是提供整个系统运行时的所需动力，该模块至少由两组电源组成，一组为常规电源，作为主电源，另一组为UPS电源，作为备用电源。

②存储模块，其工作内容是对目前系统的运行数据参数进行采集、整理，为智慧体系的建立提供数据支持。目前云存储技术已经逐渐成熟，这也成为了信息存储模块的新载体。

③信息采集处理模块，该模块是对运行数据进行收集的系统，其主要的工作内容是进行信息收集、分类、汇总等工作，从而提升数据信息内容的可靠性。

④数据传输模块，主要工作是进行数据信息传递、接收等操作的工作模块，也是串联其他模块的重要载体，为后续工作的稳定推进奠定基础。

2  基于PLC控制的智能机械手设计要点

2.1 自由度及坐标形式

所谓机械自由度主要是指，机械手整体结构可以进行独立活动的范围。智能机械手本身的灵活度相对较高，那么在PLC技术的帮助下，其自由度可以得到进一步提升，从而顺利的完成伸缩夹紧、机械升降、回转等操作。坐标形式是进行PLC控制时，用来辅助机械手顺利完成指令的运动轨迹。在具体的应用阶段，常用的坐标形式有直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和多关节式，以直角坐标式为例，其主要用来辅助机械手完成平移、升降等直线操作，缩短了机械手的操作距离。

2.2 动作顺序的确定

智能机械手的工作过程自由度相对较大，但是也会有一套操作程序来圈定其工作范围，以此来确保结构工作状态的稳定性。在具体的设计过程中，应将其设计成遵循“伸长→夹紧→机身上升→机身旋转→松手→机械手回缩→机身降低→机身回转→待机状态”的程序流程，并且在工作阶段可以根据PLC控制技术的调整指令，灵活进行变动，以此来提升机械手工作阶段的自由度和灵活性[1]。

2.3 手部结构的设计

在智能机械手的设计过程中，手部结构设计属于非常重要的环节，这也决定了机械手能否顺利完成抓取动作。在具体的设计中，常用的手部结构设计形式包括以下两种：

第一，夹钳式手部结构，在工业生产中，常用的夹钳式手指为两指夹钳式，对于一些特殊性较强的产品，如易碎品，则会使用三指夹钳来提高操作过程的稳定性。此类结构适用于形状比较突出、具备一定高度的产品，一般不用于曲线型产品抓取[2]。

第二，吸盘式手部结构，即手部结构制作为类似于吸盘的结构，借助电磁原理来实现构件的取放。在具体选择中，需结合实际情况进行筛选，从而提高手部结构设计的可靠性。

2.4 手部夹紧力计算

为了确保结构夹紧时力度的合适性，在智能机械手设计阶段，还需要对手部夹紧力进行计算，从而在不伤害构件的基础上，顺利完成构件的传递工作。在具体的计算过程中，主要应用到以下公式N=aP/2b。其中N表示智能机械手的夹紧力;P表示机械手活塞桿提供的驱动力;a表示机械手手指从回转支点回到对称中心的距离;b表示机械手手指从回转支点回到钳口中心线位置的垂直距离。而PLC控制技术在此环节则用于灵活调整各项参数，使其可以适用于不同的零件抓取要求[3]。

2.5 伸缩夹紧缸选择

在伸缩夹紧缸的选择过程中，需要根据手部夹紧力计算结果来完成筛选。在具体的设计过程中，可以通过查询相应表格数据来得到伸缩夹紧缸需要满足的最小数值，这也是帮助企业节约选择成本的重要途径[4]。但是在具体选择中，也需要考虑到工件的自重，部分工件的重量相对较大，那么为了确保所选结构的适用性，也需要适当提高伸缩夹紧缸的参数。并且还需要在结构的受力方向添加一个导杆结构，和在伸缩夹紧缸下方安装配重，重量结合实际来进行选择，从而提高作业过程的稳定性。

2.6 升降缸的选取

在升降的选择过程中，也需要根据手部夹紧力计算结果来完成筛选。在具体的设计过程中，常用的方式便是查询参数对应表格，从而参数的允许值，确定结构的合理范围。同时在选择时，也需要考虑到工件的自重，部分工件的重量相对较大，那么为了确保所选结构的适用性，也需要适当提高升降缸的参数。并且还需要在结构的受力方向添加两个导杆结构，以此来平衡结构的升降过程，并且也需要在结构下方安装配重，重量结合实际来进行选择，从而提高机械手升降过程中的稳固性[5]。

2.7 回转缸的选用

结合以往的设计经验可以得知，一般情况下，智能机械手的回转角度或超过100°，那么在选择回转缸结构时，需要考虑到不同角度的承压情况，参考手部夹紧力计算结果，选择相匹配的回转缸结构。而且在实际应用中，也需要对结构的稳固性进行调整，具体的调整情况，可以参考2.5和2.6章节，同时将PLC控制结构安装在合适的位置，以此来确保回转缸工作状态的稳定性[6]。

2.8 液压系统设计

从目前的应用情况来看，很多企业在智能机械手驱动来源方面，会选择液压系统来提供机械手动力来源，而且液压系统的应用，还可以提升机械手应用阶段的灵活度，使其能够顺利完成一些应用操作。在具体的设计阶段，需要对所设计机械手的基本参数进行了解，如工作负荷、任务种类、工作环境等，根据此类内容来完成液压系统参数的选择。而且还需要将传感器安装在液压系统当中，对于系统目前工作状态进行监督，在出现不合规问题后，可以及时进行调整，从而提高系统运行过程的安全性[7]。

2.9 PLC程序编制

在智能机械手工作过程中，可以使用到PLC程序来完成智能机械手运行参数的控制工作。目前机械手的工作任务复杂度、精准度正在不断提升，若依靠传统的控制方法很难满足产品质量要求。对此借助PLC程序中的各个管理模块，对于智能机械手目前各结构的工作状态进行监督，如果出现了异常运行数据可以及时对其进行处理，起到了及时止损的作用。需要注意的是，在模块化管理过程中，需要将内容尽量细化，从而提高管理过程的精细化。

2.10 1/0 地址分配

由以往的PLC管理经验可以得知，在智能机械手工作的过程中，需要利用到许多的开关来完成运行控制，同时每个开关保持着相对的独立性，对此，PLC技术在智能机械手正常工作的情况下，会将这些开关的1/0地址进行集中管理，并且在下达指令后，可以有目的性地输送到某一区域，这也提升了信息传输的及时性，提高了机械手工作状态的灵活度。

2.11 液晶显示屏设计

除了上述设计内容外，对于液晶屏进行优化设计也属于非常重要的内容，显示屏是用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，需要具备控制简单、兼容性强等优势。因此在对其展开设计时，需要提升接口设计的兼容性，而且转换板也需要做出适当调整，从而提高显示屏的可靠性，能够准确显示运行信息，以此来提高运行过程的稳定性。

3  结束语

综上所述，结合上述操作分析后可以得出，PLC技术的应用，能够有效提升整个系统运行过程的可靠性。并且智能机械手在完成调整之后，也可以更加灵活地完成相应的操作指令，由此可见，将PLC技术应用到装配式机械手结构当中，不仅可以提高操作的准确性，而且对于加快机械手智能化发展速度有着积极地作用。

参考文献：

[1]邓睿，蔡颖华，李娜，秦薇，胡诗悦.用于瓶装奶检测和搬运的多自由度智能机械手的三维建模设计[J].机电信息，2020（18）：106-107.

[2]刘景铭.基于Arduino红外控制的智能机械手的设计[J].科技风，2019（12）：7-8.

[3]雷歌，殷凤来.智能机械手应用现状及关键技术研究[J].無线互联科技，2019，16（04）：133-134.

[4]雷小舟.基于视觉伺服的智能机械手研究[D].武汉工程大学，2018.

[5]张亚运，欧元贤.钻石抛磨智能机械手控制系统设计[J].机床与液压，2017，45（15）：15-19.

[6]智能机械手完成电子设备搬运与状态监控[J].金属加工（冷加工），2017（15）：13-14.

[7]孙江波，王翠，荆强.镁合金材质智能机械手系统的开发与设计[J].世界有色金属，2017（19）：183，185.