基于PLC的物料搬运机械手设计

图3
5结语 经过实验安装运行，运用该物料搬运机械手可实现
输入地址 对象描述 输入地址 对象描述
物料搬运的自动化，运行情况良好，用 PLC 控制横臂和竖
X000 X001 X003 X004 X010 X011 X012 X013 X014
启动开关 复位开关
反转 正转 竖臂上限位 横臂左限位 横臂右限位 竖臂下限位 底盘左限位
式手爪，配有电磁 阀，能实现快速准确 地抓取和放开动作； 整个机械手的结构 如图 1 所示。
4 控制系统设计
4.1 硬件设计
在该系统中输入点数为 14 点，输出点数为 8 点，考虑
S25 STL
M21
X005
X005
M20 X005
X005
M21 M20 S13 STL C235 X025
M8000 C235
Design of Material Handling Manipulator Based on PLC ZHANG Hai-ying， CHEN Zi-zhen， ZHAI Zhi-yong
（Ningbo Polytechnic, Ningbo 315800, China）
Abstract： Under certain high-temperature, over-loading, multi-dust dangerous environment, industrial manipulator is becoming more important. The paper introduces the design principle of material handling manipulator. Stepping motor is controlled by PLC, which can control the movement, rotation, catch and release action of manipulator. Instead of manpower, this manipulator can not only reduce the labor intensity of the worker but also increase productivity significantly. Key words： manipulator; PLC; control
仿真 / 建模 /CAD/CAM/CAE/CAPP
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION
基于 PLC 的物料搬运机械手设计
张海英， 陈子珍， 翟志永 （宁波职业技术学院，浙江 宁波 315800）
摘 要：在高温、重载、多粉尘的危险环境中，工业机械手的应用就显得尤其重要。文中介绍了一种用于物料搬运的工业
X015 X016 X020 X021 X022 X022 X022 X022 X022
底盘右限位 急停
竖臂旋转计数器 手爪位置传感器 底盘旋转计数器 前侧接近开关 左侧接近开关 后侧接近开关
右侧接近开关
臂步进电机，可对机械手进行垂直和水平移动、水平旋转 的精确位置控制，基本达到预期要求。
［参考文献］ ［1］ 蔡自兴．机器人学的发展趋势和发展战略［J］．机器人技术与应
以避开障碍物。
（2）将工件 1
480>D10
480=D10
3 硬件设计 （1）手臂伸缩 、升 降 机 构 ：机 械 手 横 轴 和 竖 轴的 机
械传动采用滚珠丝杆传动，配高精密的光杆导轨和直 线 轴 承 ，用 步 进 电 机 来 驱 动 横 轴 和 竖 轴 ，不 仅 能 使 机 械 手臂非常平稳地进行伸缩和升降，而且可以进行精确 定位控制；
用，2001（4）：11-16. ［2］ 于靖军，刘辛军，等．机器人机构学的数学基础［M］．北京：机械
工业出版社，2008. ［4］ 郭艳萍．基于 PLC 的工业机械手控制系统［J］．仪表技术与传感
器，2007（9）：31-32.
表 2 FX2N-48T 型 PLC 的输出地址分配表
输出地址
对象描述
系数变化规律图
4.0
3.5
3.0
2.5
整体空心轴
2.0
（局部空心轴）
实心轴
1.5
1.0 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
动载荷系数 Kd
图 7 最大变形随动载荷
系数变化规律图
5结论 由上述分析结果可知，在满足强度、刚度条件下，理
论上 1t 固定式矿车车轴可以采用整体空心轴和局部空 心轴。
轴通过 PLC 内部脉冲记数，竖轴通过竖轴光电传感器记 运机械手，其 I/O 接口分配如表 1、表 2 所示。
数，运行到设定位置 2 后，PLC 控制单向电控阀使手爪 4.2 软件设计
抓紧物料，手爪电机正转若干秒之后，PLC 控制横轴和
机械手物料搬运是从起始位置 1 搬运到目标位置 2，
竖轴电机按原路线返回到设定位置 1 后松开物料，PLC 以横向手臂在位置 2 向上或向下的运动为例，横向手臂
机械手的设计原理，用 PLC 作为主控制器，步进电机作为动力源来控制机械手实现移动、旋转和抓放动作，用此机械手
代替人手来搬运物料，不但减轻了工人的劳动强度，还大大提高了劳动生产率。
关键词：机械手；PLC；控制
中图分类号：TP242
文献标识码：A

文章编号：1002－2333（2010）09－0083－02
输出地址
对象描述
Y000 竖臂步进驱动器信号 Y004 底盘旋转电机正转
Y001 横臂步进驱动器信号 Y005 底盘旋转电机反转
Y002 竖臂步进驱动器信号 Y006 手爪驱动电机正转
Y003 横臂步进驱动器信号 Y007 手爪驱动电机反转
［5］ 李允文．工业机械手设计［M］．北京：机械工业出版社，1996. ［6］ 日本三菱公司.三菱 PLC 编程说明书［Z］.
图 2 横向手臂在位置 2 向上或向下的 程序流程图
驱动，用光电传感器 臂在位置 2 向上或向下的运动程序如图 2。
7
65
4
来检测反馈信号，可
部分程序如图 3 所示。
3
使旋转方向位置得
8
2
到精确控制；
9
1
（3）手 抓 机 构 ：
机械手爪采用气动
图 1 物料运送机械手结构图 1. 底 座 2. 手 爪 3. 手 爪 控 制 电 机 4.横向手臂 5.竖向手臂 6.竖向手 臂控制电机 7. 横向手臂控制电机 8.底盘旋转控制电机 9.底盘
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
最大应力/MPa 最大变形/10-4m
150
整体空心轴
140
局部空心轴
130 实心轴
120
110
100
90 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
动载荷系数 Kd
图 6 最大应力随动载荷
1引言 物料搬运机械手在高温、重载、多粉尘的危险环境中
应用普遍，不但减轻了工人的劳动强度，还大大提高了劳 动生产率。本文对物料搬运机械手的机械结构和控制系统 进行阐述。所设计的机械手可完成机械手旋转、手臂垂直 上下、手臂水平移动、手爪旋转 4 个自由度的控制。 2 总体概况 2.1 机械手组成
该物料搬运机械手为坐标式机械手，由机械手装置
（1）与原实心轴相比，在最大变形相同的条件下，整 体空心轴最大应力较大，而且受动载荷影响较大。
（2）在同样条件下，局部空心轴的应力和变形以及受 动载荷影响程度介于实心轴和整体空心轴之间。
（3）没有考虑整体空心轴和局部空心轴的结构细节 以及实际加工工艺对强度和刚度的影响，旨在对 1t 固定 式矿车车轴的轻型化途径进行探讨，为车轴轻型化实用 设计奠定前期基础。
（编辑 毕 胜）
!!!!!!!!!! 作者简介：徐文娟(1963-)，女，硕士，教授，主要从事教学管理和机械
设计理论及其应用方面的研究工作。 收稿日期：2010-07-13
机械工程师 2010 年第 9 期 83
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP
［参考文献］ ［1］ 曲芳，徐文娟，李广录.矿车自重及其重心位置对矿车运行特性
的影响分析［J］.煤矿机械，2009，30（4）：82-85. ［2］ 北京有色冶金设计院，鞍山黑色金属矿山设计院.金属矿山采
矿设备设计［M］.北京：冶金工业出版社，1977. ［3］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2003.
控制手爪电机反转若干秒后又按原路运行到位置 2 搬 从位置 1 到位置 2 时有以下几种情况：
运第 2 个物料到位置 1，结束以后机械手运行到初始位
（1）在位
置 0，一个循环结束。在搬运的过程中有 4 个接近开关实 置 2 的 下 方
480 与 D10 比较
时检测障碍物信号，如遇到障碍物，马上改变运行路线 抓取工件 1；
（编辑 启 迪）
!!!!!!!!!! 作者简介：张海英（1978-），女，讲师，硕士，主要从事机器人、数控技
术方面的研究。 收稿日期：2010-05-26
84 机械工程师 2010 年第 9 期
（Y002） 设置横向手臂向下运行
［PLSY K1500 D0 Y000］
横向手臂向下运行
（C235 D5）
横向手臂向下运行的位移量
［SET S14］ 手转入第 S14 步
到控制要求和维修方便，采用了日本三菱公司生产的 FX2N-48T 型 PLC 来作为主控器。用该 PLC 来控制物料搬
表 1 FX2N-48T 型 PLC 的输入地址分配表