基于PLC控制的机械手臂设计

姚海妮 殷凤兰

【摘要】伴随电子技术和信息技术的迅猛发展，造业出现了惊人的变化，特别是工业机器人的发展，更加快了我国现代制造业的脚步，机械手是一种能实现自动控制、可编程控制、自由度高的自动化生产设备，可用于材料搬运、零件调度，能完成各种作业，基于PLC编程控制的机械手具有和人手臂相似的动作功能，可根据需要编制程序，使其能灵活的抓放物体，完成指定的动作，是当下应用非常实用的生产装备。本文设计的机械手是多关节结构，灵活性好、实用性强，安全度高，可以提高工作效率，并能实现自动化、无人化。

【关键词】PLC 多自由度 工业控制

引言：机械手是一种生产装备，可提供作业所需的运动和动力，自动实现手部作业，基于PLC控制的机械手臂设计为多关节，体现在手的抓取、手腕的旋转、手的伸缩，通过控制装置、传动系统、执行机构，最后通过检测系统形成闭环系统，它动作灵活，将机械、液压传动与电气相结合实现平面四杆机构的抓取，特别适用于工业和食品行业，可以提高工作效率。

1、机械手总体结构

工业机械手臂是由PLC进行总体控制，经传动中枢，通过液压传动驱动，经执行机构到查询系统，最后进行检测，形成一个闭环系统，本设计的机械手属于圆柱坐标型，按照圆柱坐标形式动作，灵活性好，作业空间范围较大，刚度、精度较高，整体设计结构简易，满足功能要求。

2、机械手的夹持器结构设计

机械手的夹持器为双指手爪式，本设计采用回转式连杆夹持器，结构简单，当驱动器推动杆上下移动时，由杆、连杆、摆动钳爪和夹持器构成四杆机构，迫使钳爪完成夹紧和松开动作，夹紧力

在结构尺寸b、c和驱动力F_P一定时，夹紧力F_N和α角成反比，当α角较小时，夹紧力较大，当α=0时，爪钳闭合到最小极限位置。

3、驱动装置的设计及计算

将各驱动方式对比，本设计采用液压式的驱动方式，它速度较快，结构简便，抓重大，重复定位精度较高，臂力可达900N以上，机械手臂的结构类型由对应的机械结构和驱动系统的类型来决定，本设计采用液压驱动的优点是动力大，易于实现直接驱动，可靠性高，能够实现连续控制，扩大了机械手臂的用途范围，使得机械手臂在机械制造的各个行业得到推广使用。

本文设计的机械手臂能够进行伸缩、回转，灵活的抓取动作，通过液压缸驱动手臂伸缩，活塞杆固定不动，采用燕尾型导轨导向，刚度大，工作平稳，手臂回转运动采用摆动液压马达驱动，其固定在手臂支架上，液压马达动片转动时，利用挡块和行程开关定位。整个驱动装置主要由机械手爪，爪壳，活塞杆，活塞壳等组成。

计算夹紧缸驱动力

爪壳和缸壳连成一体，当压力油从液压缸油管右侧进油时，活塞杆向左移动，推动手爪闭合;当压力油从液压缸左边进油时，拉

4、机械手的可编程控制

本设计采用三菱FX2N系列PLC进行控制，它是三菱FX2N系列PLC中功能最强、速度最快的小型可编程控制器。基于三菱FX2N系列PLC控制的机械手程序简单，活动灵活，便于实现控制。

工业机械手的电气控制系统相当于CPU，它不但协调控制机械手的各部分動作，还要统筹机械手与生产系统之间的动作。机械手的动作位移顺序、到达指定的位置，包括上下、左右的移动、伸缩、回转及摆动、手腕的摆动和回转、手指的张、开动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在PLC的指挥下，按照预先设计好的程序来实现的。整个过程包括：电气控制路线图，根据控制要求完成I/O地址的分配，完成PLC硬件接线图的设计，绘制梯形图，输入调试控制程序。

5、小结。机械手属于工业机器人的一种，它通过各个关节的运动来实现其末端执行器的位姿变化，其位姿体现了末端执行器在指定坐标系中的位置姿态，本设计的机械手臂由三菱PLC整体控制，编程简便，可根据需要编程控制、调整机械手臂的动作，由液压驱动它的各个关节的运动来实现手部作业，末端执行器可满足作业动作要求，基于PLC控制的机械手臂操作灵敏，调试方便，并且在工程应用之前可进行仿真调试，可以提高工作效率。

参考文献：

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