基于PLC的三自由度機械手控制系統設計

張凱　方立雯

摘 要：傳統的機械手控制系統在機器進行運轉的時候存在抖動幅度大和失步的問題，為此，提出了一種基于PLC的三自由度機械手控制系統設計。首先對系統的硬件進行了設計，得出了硬件的框圖；然后對系統的軟件設計；最后進行了實驗。

關鍵詞：PLC；三自由度；機械手控制；系統設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.126

0 引言

在工廠中，機械手的工作相當于人的手臂一樣，可以按照特定的結構進行抓取、搬運等工作[1-2]。三自由度的機械手操作系統又被稱作3D的機械人，可以模擬人手臂的運動行為[3-4]。隨著社會經濟的不斷進步，傳統的機械手控制系統在機器進行運轉的時候存在抖動幅度大和失步的問題，不能滿足工廠的需求。為此，我提出了一種基于PLC的三自由度機械手控制系統設計。首先對系統的硬件進行了設計，得出了硬件的框圖；然后對系統的軟件設計；最后進行了實驗。實驗結果表明，該系統的設計具有運行穩定和定位精準等優點，對于我國未來的社會經濟具有促進的作用。

1 基于PLC的三自由度機械手控制系統設計

基于PLC的三自由度機械手的手臂進行左右運動的時候是由伸縮的步進電機控制，進行上下運動的時候是由升降的步進電機來控制，而進行旋轉運動的時候是由機械底部的直流電機工作運行時候的正反旋轉來控制。而三自由度機械手進行夾緊工作的時候采用的是關節的結構裝置，進行松開工作的時候是由電磁閥的氣壓驅動來控制。

該系統硬件設計的主要控制系統采用的是SH-2040型的步進電機驅動器和FX2N這一系列的三菱晶體管輸出，這種機械手能夠在不同的方向上進行抓取的運動，主要的運動系統是由垂直、水平、手爪和旋轉組成的，并且每一個組成的系統都是由2個直流的電機進行發電和4個行程的開關進行控制，進行垂直的運動來完成一些的動作。

機械手進行垂直運動的時候，主要由電機、計數行程和限位行程的開關組成的。使用9V的電壓和直流的電機進行正向旋轉的運動來提供抓力。計數行程的開關是用來對旋轉圈數的計量。使用9V的電壓進行反向旋轉的時候，其限位行程的開關就會控制機械手的行為，不能超過極限的范圍；當機械的手臂向上方進行運動的時候，如若超過了上方極限的位置，那么運動的行為就會停止。具體的硬件設計的框圖如圖1所示。

進行垂直運動的時候將該過程分為兩個階段，分別是復位的階段和定位的階段。復位階段指的是機械手通過電機進行運動的時候，整個手臂呈現反轉的狀態，直到手臂碰到限位形成的整個開關即可結束運動；定位階段指的是機械手通過電機進行運動的時候，手臂從最初的位置進行下降的運動行為，并由技術開關來計量手臂到達的位置，到達指定的位置后行為結束。

2 實驗結果與分析

為了驗證基于PLC的三自由度機械手控制系統設計合理的有效性，進行了如下的實驗。控制電機的電壓為9V，輸出的電壓為24V，將3個繼電器的接地端與電壓為9V的設置連接在一起，這樣就能使3個繼電器中原本的端子被化解為1個；然后分別將電機中的2個輸入端連接在不同的繼電器之中；最后將中間的繼電器與24V電壓的裝置進行連接，使程序對電機進行自主的正反轉控制。對傳統的機械手控制系統與基于PLC的三自由度機械手控制系統進行了對比，如圖2所示。

由圖2可以看出，在相同的時間范圍內，基于PLC的三自由度機械手控制系統旋轉的圈數明顯高于傳統的機械手控制系統。

由此可得出結論：基于PLC的三自由度機械手控制系統的設計能夠實現物體的自動循環，并且具有強大的靈活性和準確性。通過對系統的設計，能夠改變以往的系統結構，使工作更加的靈活快捷。

3 結束語

基于PLC的三自由度機械手控制系統的設計改善了原有步進機器運轉時出現的抖動和失步的情況，只是利用三個自由的方向就能使系統處于良好的狀態。根據工廠中實際工作的需求，將進一步完善夾緊裝置，在彎曲的位置添加一個回轉的控制器。在條件允許的情況下，采用觸屏的方式代替手動的操作，這樣可以減小占用的空間。該系統的設計不但使人機交互的界面變得更加的直觀，操作起來也非常的方便。

參考文獻：

[1王建偉，薛芳喜.基于PLC的新型車載機械手控制系統設計[J]. 機床與液壓，2017，45（05）：44-46.

[2]張曉明.三自由度移動機械手遠程智能控制方法仿真[J].計算機仿真，2017，34（03）：344-347.

[3]李海駐，胡志剛，郭利君等.三自由度機械手的仿真研究[J]. 機械設計與制造，2014（10）：186-189.

[4]汪幫富，宋娟，趙衛東等.基于PLC技術的液控分揀機械手的設計[J].機床與液壓，2016，44（03）：19-23.

作者簡介：張凱（1988-），男，助教，主要從事機械制造及其自動化方向研究。endprint