孫 艷

（忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，忻州 034000）

目前，自動(dòng)化機(jī)械臂在汽車生產(chǎn)行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。自動(dòng)化機(jī)械臂具有諸多優(yōu)勢(shì)，如可長(zhǎng)期進(jìn)行重復(fù)性工作、耗費(fèi)人力資源較少等。但是，自動(dòng)化機(jī)械臂造價(jià)昂貴，在大型企業(yè)中需要多臺(tái)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行工業(yè)化操作，會(huì)增加企業(yè)的前期投入。文章通過相關(guān)研究設(shè)計(jì)了一種造價(jià)較低和自動(dòng)化程度較高的機(jī)械臂設(shè)備，能夠節(jié)省投資成本，提高生產(chǎn)效率，在滿足自動(dòng)化和規(guī)范化的前提下，極大地提高了生產(chǎn)安全性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值[1]。

1 自動(dòng)化機(jī)械臂概述

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

一般來說，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制管理系統(tǒng)是為了使整個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)更加穩(wěn)定，包括采用高性能的數(shù)控計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)管理硬件和控制軟件。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制組成部分一般可劃分為4個(gè)部分，分別為控制機(jī)械臂及其運(yùn)動(dòng)感知器、環(huán)境、任務(wù)和控制器[2]。機(jī)械臂具體尺寸如圖1所示。

機(jī)械手臂傳動(dòng)系統(tǒng)是由多個(gè)機(jī)械的器械部分組成的傳動(dòng)裝置。它利用機(jī)械感知器的內(nèi)部狀態(tài)感應(yīng)器，完成控制自然本體與外界環(huán)境條件以及周圍狀況的即時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)信號(hào)交換。本體環(huán)境狀態(tài)的即動(dòng)是指控制機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所在區(qū)域內(nèi)的本體環(huán)境[3]。手動(dòng)任務(wù)功能通常泛指轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂時(shí)必須手動(dòng)進(jìn)行的所有動(dòng)作。它們需要適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序語言加以說明，或?qū)⑺苯哟嫒胛⒖刂葡?。微控制器包含微機(jī)軟件與自動(dòng)硬件，相當(dāng)于機(jī)械手的大腦，以自動(dòng)計(jì)算機(jī)或機(jī)械專用的微控制器來運(yùn)行受控程序，從而自動(dòng)完成系統(tǒng)給定的各種任務(wù)[4]。

控制系統(tǒng)的主要硬件一般包括3部分，分別為本體感知部分、自動(dòng)控制處理裝置部分和機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分。本體感知部分用于實(shí)時(shí)收集基于機(jī)械臂的內(nèi)部和外部的本體信息，如本體位置、速度、加速度等電傳感器，可實(shí)時(shí)接受基于機(jī)械手的內(nèi)部本體工作狀態(tài)，而其他視覺、觸覺、力覺等物理傳感器可直接感受基于機(jī)械手的本體工作周圍環(huán)境的外部本體狀態(tài)。自動(dòng)控制處理裝置用來控制處理各種控制信息，完成各種控制操作過程，并產(chǎn)生各種控制指令，主要包括控制計(jì)算機(jī)端和相應(yīng)的控制接口等。對(duì)于機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分，為了使移動(dòng)機(jī)械手能夠完成移動(dòng)操作及具備移動(dòng)物體功能，機(jī)械臂各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)部位可分別選用氣動(dòng)、液動(dòng)、電氣等驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)[5]。

1.2 控制系統(tǒng)的性能要求

對(duì)于一般的控制系統(tǒng)有如下控制要求，分別為減小穩(wěn)態(tài)檢測(cè)誤差、分析過渡設(shè)計(jì)過程中的性能和軟件穩(wěn)定性。

1.2.1 減小穩(wěn)態(tài)檢測(cè)誤差

穩(wěn)態(tài)過渡誤差的定值為當(dāng)穩(wěn)態(tài)過渡處理過程全部完成后，理論預(yù)測(cè)的實(shí)際穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)輸出功率之差。控制器的水平與穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)偏差越小，說明控制精度越高。因此，穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誤差是直接衡量控制儀器系統(tǒng)主要性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)控制儀器系統(tǒng)性能的首要任務(wù)是在完全兼顧其他系統(tǒng)性能指標(biāo)的情況下，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誤差盡可能小或者盡量小于某個(gè)指標(biāo)允許的性能限制值[6]。

1.2.2 分析過渡設(shè)計(jì)過程中的性能

通常采用過渡均衡性和過渡迅捷性兩種方式綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。平衡性快速是指當(dāng)系統(tǒng)從初始均衡狀態(tài)快速運(yùn)動(dòng)過渡到最新的均衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)具有較小的超調(diào)和或過渡振蕩特性。其中，速度表征系統(tǒng)適用于過渡狀態(tài)運(yùn)動(dòng)過程的快速變化程度[7]。

1.2.3 軟件穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是系統(tǒng)內(nèi)在受到短暫的軸向擾動(dòng)后，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)平衡性能從軸向偏離時(shí)的平衡點(diǎn)狀態(tài)恢復(fù)，并達(dá)到原來的平衡點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)的重要能力。穩(wěn)定性要求一般是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域必須滿足的基本技術(shù)要求。如何深入研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是工業(yè)自動(dòng)化過程控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本技術(shù)問題。

2 傳感器

2.1 位置檢測(cè)裝置

當(dāng)自動(dòng)機(jī)械手需要執(zhí)行左旋/右旋、前縮后伸/伸或回縮、上升/上或下降等動(dòng)作時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的自動(dòng)檢測(cè)器可以檢測(cè)各個(gè)動(dòng)作位置是否準(zhǔn)確到位，如常用的動(dòng)作位置自動(dòng)檢測(cè)檢查裝置內(nèi)部是否有行程開關(guān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用一臺(tái)直線接觸式運(yùn)動(dòng)行程開關(guān)機(jī)來檢測(cè)機(jī)械手開關(guān)動(dòng)作精度是否完全到位，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定開關(guān)位置時(shí)，若碰到行程開關(guān)，則終結(jié)執(zhí)行上一個(gè)開關(guān)動(dòng)作，準(zhǔn)備開始執(zhí)行下一個(gè)開關(guān)動(dòng)作。

2.2 滑覺傳感器

硬盤軟鍵盤轉(zhuǎn)動(dòng)吸取主要通過轉(zhuǎn)動(dòng)吸盤最小零度吸力系數(shù)值來轉(zhuǎn)動(dòng)吸取其他物體，可有效保證吸盤工作時(shí)的可靠性。吸取軟物體時(shí)，若吸力不夠，則被動(dòng)受吸取物的整個(gè)身體可能會(huì)受到滑動(dòng)重力產(chǎn)生的反重力進(jìn)行滑動(dòng)?；X中的吸力滑動(dòng)傳感器是為了能夠用來檢測(cè)物體重力滑動(dòng)而設(shè)計(jì)的，便于檢測(cè)達(dá)到物體滑動(dòng)方向修正后的滑動(dòng)吸力，防止與被動(dòng)受吸取物的身體產(chǎn)生重力滑動(dòng)。

2.3 視覺傳感器

機(jī)械臂顏色視覺的主要作用是在很大程度上模仿普通人的眼睛，對(duì)不同的顏色物體分別顏色識(shí)別。目前，用于燈光顏色信息識(shí)別的燈光傳感器主要有兩種基本應(yīng)用類型。一是單色標(biāo)燈光傳感器。它可以使用色標(biāo)白熾燈泡的光源或單色標(biāo)的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）熾燈光源。二是RGB（紅綠藍(lán)）3種顏色的光傳感器。它可以檢測(cè)一個(gè)物體對(duì)3種基色的光線反射率和比率，從而鑒別一個(gè)物體上的顏色。這類密封裝置大多是反射型、光束型、光纖型，封閉安裝在各種磁性金屬和其他聚碳酸脂材料外殼中。

3 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的基本設(shè)計(jì)原則是在符合生產(chǎn)功能安全要求、保證質(zhì)量安全和維修簡(jiǎn)單的基本前提下，力求獲得最佳的生產(chǎn)性能值和價(jià)格相對(duì)比。選型時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要綜合考慮以下幾個(gè)要點(diǎn)。

3.1 必須具備相應(yīng)的應(yīng)用功能以及配置條件要求

通常，中小型（低檔）PLC設(shè)備均能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯計(jì)算、定時(shí)器以及計(jì)數(shù)等功能。本系列溫控系統(tǒng)按實(shí)際需要使用戶可以自動(dòng)選擇溫控開關(guān)的容量大小，因此選用一般小容量型號(hào)的開關(guān)元件即可。

3.2 必須具備系統(tǒng)響應(yīng)速度快的要求

PLC控制系統(tǒng)是為應(yīng)用于制造業(yè)流程自動(dòng)化等領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的一種通用自動(dòng)控制器。人們需要慎重考慮使用PLC的中斷速度，可以考慮使用同時(shí)具備高速中斷與零處理模塊功能的中低速PLC，或者可選用同時(shí)具有快速中斷響應(yīng)處理模塊和快速中斷信號(hào)輸入處理模塊的高速PLC等。

3.3 制定合理的結(jié)構(gòu)形式

PLC系統(tǒng)主要有總體式和模組式兩種結(jié)構(gòu)形式?？傮w式PLC的平均價(jià)格比模組式便宜，且體積相對(duì)較小，通常應(yīng)用于工藝流程相對(duì)穩(wěn)定的小型系統(tǒng)?？紤]到此系統(tǒng)控制方式比較簡(jiǎn)單，可適用于小批量生產(chǎn)線，因此選用總體式PLC比較理想。

3.4 制定合理的安裝操作管理方式

PLC的遠(yuǎn)程安裝操作系統(tǒng)方式一般可分為遠(yuǎn)程配置集中式、遠(yuǎn)程輸入/輸出（Input/Output，I/O）方式和由多臺(tái)多個(gè)人的PLC控制裝置在互聯(lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程配置分布式。集中式系統(tǒng)無須再為所需要放入設(shè)備額外安裝或設(shè)置任何遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)器以及遠(yuǎn)程I/O硬件，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)單、反應(yīng)快速及成本低。在走向工廠化的大型小批量遠(yuǎn)程調(diào)試系統(tǒng)生產(chǎn)中，如何有效降低遠(yuǎn)程調(diào)試器的成本顯得尤為重要。因此，對(duì)于此操作系統(tǒng)，用戶選擇的方式是基于集中式遠(yuǎn)程調(diào)試的安裝操作系統(tǒng)方式。

4 結(jié)語

隨著機(jī)械臂技術(shù)的不斷發(fā)展，該機(jī)械裝置不僅可直接替代他人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和嚴(yán)寒高熱等惡劣工作環(huán)境，也可代替他人自動(dòng)完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動(dòng)，有利于提高工業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量。隨著工業(yè)科學(xué)分揀技術(shù)的不斷發(fā)展和PLC在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和全過程管理中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械臂不僅可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)物料自動(dòng)分揀，而且可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)垃圾焚燒對(duì)固體垃圾自動(dòng)分揀等。

機(jī)械臂的動(dòng)力控制傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用一種技術(shù)性和可靠性都較高的PLC來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該機(jī)械設(shè)備具有更加靈活、動(dòng)作準(zhǔn)確、易于安裝維護(hù)等特點(diǎn)，顯著提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，能夠做到各種生產(chǎn)操作管理方式自由切換，滿足了各種類型生產(chǎn)線的要求。