PLC在工業機械手的應用研究

胡偉剛

[摘 要]工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備。工業機械手也是工業機器人的一個重要分支。PLC 控制機械手體積小且可以在現場修改和調試程序，達到對生產要求的隨時改變；因此應用PLC 控制機械手可以實現各種規定的工序動作，可以簡化控制線路，節省成本，提高勞動生產率。

[關鍵詞]PLC；工業機械手；可編控制器；應用

機械手顧名思義他能夠實現人類手的部分功能，可以按設計的目的要求實現相關的動作，比如抓取物料，搬運東西等一些簡單的動作。這種自動化裝置可以代替生產車間里面繁重的人力勞動以及代替工人在一些高危環境，高危行業里面進行作業。工業機械手是近年來發展起來的高科技設備，它涉及機械，力學，自動控制，傳感器，計算機等領域，是一個跨學科的綜合性技術。由于機械手在工業部門的強大作用，必然為國民經濟領域帶來廣泛的發展空間。為此對工業機械手的研究顯得很有必要。

機械手在工業自動化生產中得到了廣泛的應用，如：機械手在電鍍車間把電鍍零件從原位送到鍍槽，從鍍槽送到回收液槽等中的應用、機械手在工廠自動化運輸線中把工件從一條傳輸帶搬到另一條傳輸帶上的應用等等。它可以減少人的重復操作，還可以完成人無法完成的操作，從而大大提高工業生產效率。

機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。構成機械手傳動及控制的主要部件是：步進電機及其驅動器，PLC，直流電機驅動及其他部分。現將主要部分主要功能介紹如下。

一、機械手的概述和工作原理

1.機械手的概述。機械手是指可以幫助人類實現手的部分功能的設備，他可以依據設計來完成一些要求，進而實現相關的一些動作。例如，搬運東西、抓取某些東西等一些最基本的動作。該種自動化裝置不僅可以減輕人們的體力勞動，而且也可以代替一些工人在高危環境下的工作，減少危險的發生。工業機械手作為一項科技含量高的設備，包括很多領域：比如自動控制、機械、計算機以及力學等。

考慮到機械手在當前工業上具有如此強大的作用，因此研究工業機械手是非常重要的工作。而PLC是為工業機械而設計的一種電子控制系統，自二十世紀六十年代開始發展便受到了各個行業的歡迎。PLC技術將微電子技術、自動控制技術、計算機技術以及通訊技術進行了融合，從而使用戶可以通過對應用程序進行編寫來控制整個生產過程。基于PLC穩定性強以及可靠性高的優點，已經成為現代工業生產的主導控制產品。

2.機械手的工作原理。機械手主要是由控制系統、驅動系統、位置監測的裝置、以及執行機構四個部件組成。機械手在PLC程序的控制條件下，運用PLC的傳動方式，進而完成執行機構等相應部位需要做的規定動作，有運動的軌跡，有順序以及一定的時間和速度的動作。

與此同時可以依照控制系統發出的信息向執行機構發出相應的指令，有時也會對機械手的某些動作進行實時的監控，一旦動作發生錯誤或者是機械出現故障，那么隨即發出報警信號。

而位置監測的裝置則會隨時把執行機構的具體位置反饋到控制系統，并會與設定的位置做比較，最后通過PLC控制系統對執行機構位置不合適的地方進行調整，進而使執行機構以一定的精度在設定的位置上工作。

二、PLC技術的概述

PLC是一種電子系統，技術的核心主要是應用數字的計算來實現控制設備。PLC主要是根據當前的工業機械情況進行設計，運用當前的可編程存儲器使內部的流程控制更順利，存儲的邏輯計算以及計時和定時等各個功能的操作更便捷、準確。通過數字信號和模擬信號之間完成輸入和輸出，從而更好的控制設備生產操作。

在二十世紀九十年代初，PLC主要應用在開關量相對比較多的系統。如今PLC的應用范圍擴展到現場總線的控制系統中，復雜的工業機械生產對PLC的應用也越來越廣泛。

PLC技術的特點：

1.成本低。首先，由于微處理器以及電子元件得到了大量應用，使成本得到了有效降低，PLC的價格也隨之降低了很多。其次PLC的結點非常高度集中，代替了很多繼電器，從而降低了一次性的投資成本。

2.功能強大。隨著社會的快速發展，計算機的軟件和硬件也得到了快速的發展。因此，PLC的適用性更強。與此同時，解決了許多在工業生產線上面臨的問題，比如對大量的信息處理和設備的運轉等。

3.通訊技術與PLC技術的完美結合。當前全世界的通訊主站和從站都是基于PLC技術。正是兩者的完美結合，才使得PLC技術在通訊行業有著不可替代的作用。

三、PLC 控制器與步進電機驅動器連接的工作原理

圖中脈沖信號發生電路用以產生步進脈沖信號，其頻率按步進電機進給速度的要求設計，步進量采用步進脈沖計數法進行控制，具體做法就是PLC的調整脈沖輸入端和調整脈沖計數器對進給脈沖計數，按脈沖的個數控制進給量。采用硬件脈沖信號發生電路，工作頻率較高，可在數控裝置中作多軸插補控制，亦可方便地用于各種機械裝置的驅動。

PLC控制器與步進電機驅動器工作原理：驅動器電源由面板上電源模塊提供，注意正負極性，驅動器信號端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻。驅動器輸入端為低電平有效。

四、工業機械手PLC 控制系統的控制要求

控制要求：實現把放在A地的物塊拿到B地。并實現對機械手各動作的順序控制。機械手傳送工件系統示意圖。

以機械手復位點為原點O（0，0，0），建立坐標系，單位為mm。A地的坐標是（80，50，0），B地的坐標為（80，50，30）。根據控制要求，邏輯流程可以分為15個部分。系統啟動時，程序運行復位，各映象寄存器清0，氣夾、基座、X軸、Y軸復位。各部位復位完成后，延時2秒。當有工件放在工作臺A上時，啟動條件允許，則機械手橫軸開始前伸80mm。當前伸到位時，停止前伸，機械手氣夾旋轉，旋轉到位后，手張開（Q1.0=0）。然后機械手豎軸下降，下降50mm時，停止下降。

這時手開始夾緊工件（Q1.0=0），同時啟動延時0.5s（可以取T40）。待T40時間到，豎軸開始上升50mm，上升到位時，停止上升。機械手橫軸開始縮回80mm，當到后位時，停止縮回。這時基座開始旋轉，并產生一個Vpp為24V的方波信號，每旋轉3°編碼器發出一個脈沖，用于機械手的定位控制。旋轉到位后，橫軸開始前伸80mm，當前伸到位后，停止前伸。手開始旋轉。旋轉到位后，豎軸開始下降50mm，當下降到低位時，停止下降。機械手在低位時開始松開工件，同時啟動延時0.5s定時器（T40）。待延時時間到，豎軸又開始上升。并通過程序，實現機械手軟件復位。機械手等待工作臺A再一次有物塊時，進行下一周期操作。

五、結語

本文介紹了工業機械手的主要部分、機械手控制流程以及控制過程中應解決的主要問題。PLC控制器與步進電機驅動器連接工作可實現機械手的定位精準，最終可實現機械手在空間中的準確定位并抓放物體。本系可以根據機械手的不同作業要求，編程設計不一樣的程序來實現預期的動作結果；很大程度上方便了用戶企業使用者的調試。綜上研究結果，本系統功能靈活，可實現動作多樣，調試方便，定位快速，并可以根據用戶相關控制需要調整參數，實現人機智能化。

總之，工業機械手是工業上經常使用的一種設備，將PLC控制應用于工業機械手上可以根據機械手的不同作業要求，編程設計不一樣的程序來實現預期的動作結果，從而滿足生產線上對控制單元的要求，同時具備結構簡單、價格適宜以及性能可靠的優點，實現人機智能化，并得到了廣泛的應用與推廣。

參考文獻：

[1]鄧昌奇，熊德琴.張立斌.PLC在工業機械手中的應用研究[J].機電工程技術，2004（04）.

[2]楊存智.PLC在自動化生產機械手中的應用[J].機床電器，2006（01）.

[3]范淇元.基于PLC的工業機械手控制系統設計[J].機械工程師，2012（04）.