基于PLC的上下料机械手设计探析2800字.docx
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2022-07-12
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基于 PLC 的上下料机械手设计探析 2800 字
摘 要：近年来，随着工业自动化的不断发展和用人成本的增加，矿山生产中的上下
料正向机械化、自动化转型。机械手精度高、动作迅速、可长时间作业的特征被矿山企业应
用到上下料的生产中，提高了生产效率。本文讨论了上下料机械手的设计方案，确定了基于
PLC 控制的机械手的关键参数，在明确控制方案的前提下，设计了机械手控制系统的硬件和
软件，为 PLC 控制机械手在上下料生产中的应用提供了理论支撑。
关键词：机械手；PLC；ADAMS；上下料；自动化
引言
机械手是在工业生产中较为常见的自动化设备，它通过模仿人的手臂，按照设定的路径
等参数进行物件的抓取、搬运和其他操作。它主要包括执行机构、驱动机构和控制系统三大
部分，控制系统一般采用 DSP、单片机、PLC 等芯片，时时控制各电机运动。驱动机构主要
包括各种电机，执行机构主要是仿生手臂用来进行相关的操作。由于要进行较为复杂的操作
需要多关节进行协同，所以多自由度机械的控制是基础，一般采用六自由度或四自由度的结
构，自由度越多，其灵活性越大、操作范围越广。
自动上下料操作是指在工厂和数控加工中周期性的给机器和机床上下料。由于此项操作
重复性强、危险性高、工作强度大，已经不再适合手工操作，于是自动化的机械手取而代之。
机械手可以快速准确地长时间作业，定位精度高，环境适应性很好，尤其是其抓举运输可以
超过人力很多，便于工业生产，所以对机械手进行研究并使其应用到上下料生产中十分必要。
1 总体设计
机械手的设计方案如图 1 所示，该方案主要由 HMI、PLC、驱动系统及机械手本体四个
部分组成。
1.1 机械结构设计方案
机械手的机械结构较为复杂，需要确定机械手自由度、行程和速度参数，电机选型和各
轴的转动方式。
之所以为机械手添加 6 自由度，是为了保证机械手可以抵达任意位置，其中位置自由度
3 个，姿态自由度3 个。通过简化分析，满足基本的上下料操作，机械手设计包括4 轴 4 自
由度，分别是X 轴、Y 轴、Z 轴和 RZ 轴。机械手的结构示意图如图2 所示。机械手沿X 轴进
行水平方向的左右移动；沿 Y 轴进行水平方向的前后移动；沿 Z 后轴进行竖直方向移动；沿
RZ 轴可绕 Z 轴旋转。
机械手的运动需要电机进行驱动，它的主要动作特性与电机参数息息相关，所以对于电
机的选型是必要的。一般而言，电气式机械手常用的电机类型有伺服电机和步进电机。为使
机械手能够快速移动，要求轴电机的额定转速要高、额定输出转矩还应较大。因此，X、Y、
Z 轴常选用伺服电机。但是对于 RZ 轴，由于其负载较小，精度要求较高，所以可以选择简
单实用的步进电机。
电机驱动的传动方式有多种，常见的机械手传动方式包括同步带传动、滚珠丝杆传动和
齿轮齿条传动。其中同步带传动是应用较多，其简单易用，保养方便；滚珠丝杆传动由于精
度高、噪音低，常用于高精度的传动场合；齿轮齿条传动的特点是动力足、寿命长，但是噪
音较大。综合以上多种传动方式，从精度要求和成本考虑，本文设计的机械手的 X 轴和 Y
轴采用同步带传动，Z 轴采用齿轮齿条传动。
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