机械臂的控制系统设计

摘 要：工业机械手是近代机械自动控制领域中出现的一项技术，是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成环节。机械手可以模仿人手和手臂的某些动作功能，按给定设计程序抓取、搬运工件与物品。主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成，机械手按其用途可分为专用机械手和通用机械手两种，专用机械手的结构型式简单，无单独控制系统，只包含固定程序，适用于专机或大批量生产自动线作为自动上下料用。结合设计参数要求与实际零件生产线，设计成专用型机械手。

关键词：机械臂;控制;设计

1 机械臂的功能分析

本机械臂采用固定式四自由度液压机械臂，选择以液压驱动系统为动力源的机械臂，包括机身，手臂及手爪为主部件。机械臂为圆柱坐标式坐标类型。

通过手爪张开和闭合，手臂上升和伸缩，机身回转等不断姿态来实现机械手抓/放工件动作，并完成数控车床自动上下料功能。手爪选择二指V型滑槽杠杆式，利于在抓取工件的过程中定心；手臂施加连杆的形式，每个连杆通过销钉的形式联接；焊接支撑架作为手臂和机械手机身之间的支撑环节对手臂起到支撑的作用，并通过螺钉固定在机身上，机械臂一系列运动都要依靠回转液压缸来完成、升降液压缸，伸缩液压缸以及手指液压缸进行控制实现。

机械臂的功能就是代替正常人完成一些动作，进行零部件安装，以及检测工人在安装零部件的时候是否安装不全，如果零件安装不全，这时候系统就需要发出警报，然后工人就会去安装缺失的那部分零件。在工人工作的时候，同时也要保证机械臂的正常运行，在设计机械臂的大致过程中，要保证机械臂具备以下的功能：

正常旋转功能。即在机械臂检测零件的过程中，必须保证机械臂是可以旋转的，这样才可以将照相机移到相应的零件位置，从而进行检测该位置是否安装了零件，并完成拍摄工作，这样就可以很清楚的知道。工作速度分两个，一个速度是机械臂在自动运行时候用的，而另一个速度是用来示教时候用的。

示教功能。当工人拿着触摸屏的时候，按一次按钮就可以控制机械臂运动一次，从而完成三个点的检测。

再现功能。工人只要按一下触摸屏上面的自动运行按钮，机械臂就会一次性完成三个点的零件检测工作，并进行拍照。

检测功能。当机械臂运动到相应零件位置的时候，这时候就可以进行检测了，与此同时安装在机械臂前段的照相机就得负责拍照并送回照片信息。

报警功能。当系统检测到零件安装位置未装有零件，这时候系统就应该发出警报信息。如果安装了零件，则不发出警报，并继续下一个零件位置的检测。

2 机械臂的总体方案的确定

在设计机械臂的时候，采用的是步进驱动器跟步进电机，4自由度机械臂也就是需要4个步进电机跟4个步进驱动器。4个自由度分为3个旋转自由度跟1个移动自由度。

用可编程控制输出脉冲从而控制4个步进电机的运动，触摸屏与可编程控制器相连接，通过触摸屏来实现机械臂的运动控制。

确定了机械臂的功能是用来检测零件是否缺失，如果检测结果显示没有缺失，则进行下一个位置的检测;如果该位置零件缺失，则发出警报，从而工人将缺失的零件给补装上。同时也确定了机械臂的运动是靠步进驱动器跟步进电机来驱动的，步进驱动器与步进电机相连接，通过可编程控制器来实现步进电机的驱动，而可编程控制器的输入端则与触摸屏相连接，通过触摸屏上的按键对可编程控制器进行输入，从而使可编程控制器有了相应的输出，最终实现了机械臂的运动控制。

3 机械系统分析及器件选择

要想实现机械臂的运动，步进电动机是必不可少的，因此就需要进行型号选择。在这里我选用的是Kinco步进电机，这时候就需要根据以下的流程图来计算保持扭矩，从而来选择步进电机型号。

根据计算公式，计算扭矩，所以选的步进电机分别为2S86Q-051F6，2S86Q-4580，2S57Q-0956和2S42Q-0240型号。

上面已经选完了步进电动机，但是光有步进电机是没有用的，因为步进电机不能直接连接可编程控制器，PLC与步进电机之间必须接入步进驱动器，所以我们选完步进电机还需要选步进驱动器。在上一步已经根据计算选好了步进电机，然后根据Kinco步进电机与步进驱动器选型手册，进一步选取步进驱动器。根据相关选型表，再根据选好的步进电机，所以选择的步进驱动器的型号分别为：2CM880，2CM880，2CM545和2CM525型号。

确认4自由度机械臂的机械运动方式。机械臂的运动方式必须满足能够检测到三个点，所以就将4自由度的机械臂分成三个旋转运动跟一个移动运动。前3个电机控制A轴，B轴，C轴正反转，而第4个电机控制轴的升降，在轴的前端放的是照相机，用于检测过程中进行拍照，从而判断该点零件是否缺少安装。

运用三维软件Solidworks绘制机械臂的零件图。首先进行机械臂零件图的绘制，零件图绘制的步骤如下：右击或双击三维绘图软件Solidworks图标，从而打开了Solidworks软件;2）新建文件;3）选择零件绘制;4）草图绘制;5）绘制零件草图;6）退出草图;7）进行拉伸或者旋转;8）编辑材料。

画完每一个零件图都另存为同一个文件夹，以便于装配的时候添加。运用Solidworks进行零件装配。SolidWorks进行装配的步骤如下：打开SolidWorks三维绘图软件;2）新建文件，选择装配体;3）开始装配体，点浏览文件夹，将刚刚所画的零件另存，最好是存放在同一个文件夹里，最后将所完成的零件一个个添加进来;4）开始配合各个零件，使之能成为一个整体;5）搞清楚哪部分是需要动的，搞清楚是怎样的运动，在配合的时候就需要注意;6）4自由度的机械臂可以分四部分进行装配，先从底座开始装配，开始是三个旋转副，最后是移动副。

运用Solidworks进行仿真。三维软件Solidworks仿真步骤如下：打开SolidWorks三维绘图软件;2）在菜單栏执行打开文件的命令;3）打开装配体;4）进行仿真设置。

4 结论

综上所述，机械臂不仅能够帮助很多工厂实现现代化道路，而且还能为工厂带来可观的经济利益。通过对机械臂的控制系统设计进行分析，对于工业机器人的研究和投入使用有着重要的价值和现实意义。

参考文献

[1] 王连明，陈铁鸣.机械设计第二版[M]，哈尔滨工业大学出版社，1998：200-207.

[2] 吴宗泽.机械设计手册[M].机械工业出版社，2002.