基于PLC的三自由度機械手控制系統設計

鄭健

（山東凱文科技職業學院，山東 濟南 250200）

基于PLC的三自由度機械手控制系統設計

鄭健

（山東凱文科技職業學院，山東 濟南 250200）

PLC為可編程邏輯控制器可以在工業環境下對數字進行運算操作，PLC大多數采用的是單片微型計算機，因此具有編程容易、結果可靠性高、靈敏能力強、安裝方便、運行速度快等優點。本文基于PLC（可編程邏輯控制器）角度設計了一種三自由度機械手控制系統，分別對系統的硬件和軟件進行設計，硬件部分分為數據采集器、傳輸器、控制器三部分，軟件部分利用PLC梯形圖順序編程的方法完成工作，最后通過實驗檢測了該三自由度機械手控制系統是否具有可操作性。實驗證明：本文設計的三自由度機械手控制系統可有效地對機械手進行控制，而且控制能力強，需要投入的成本更低，靈活性好，大大降低工作人員的操作風險，值得人們大力推廣和使用。

PLC編程算法；三自由度機械手；機械手控制系統

步入21世紀之后，科技發展更為迅猛，工業不斷走向自動化，多年來經過反復的研究與試驗，目前使用的機械手都是利用軟件編程控制工作方式和運行軌跡，在工作時能夠將人的智能思維和機械操作準確性有效結合起來，因此被廣泛應用到礦產探究、汽車制造、加工包裝、食品運輸等多個領域。當前被使用比較廣泛的是二自由度機械手和三自由度機械手。三自由度機械手作為機械手的一種，運行速度很快，能夠將一個和多個工業零件快速的從某個位置放到目標位置，而且放置的位置準確性非常好。三自由度機械手的基本操作形式分為搖擺式自動取料機械手和橫行式自動取料機械手。機械手的應用可以使自動化控制實現更加容易，減輕工作人員的勞動強度，降低操作人員在工作時的安全風險，保障工作人員在惡劣條件下的身體健康，同時也能很好地提高工作效率。

目前科學界提出了多種多樣的三自由度機械手控制系統，這些機械手控制系統在部分領域都有所應用。可是據數據統計，已經研發控制系統的可操作性并不高，而且在操作過程經常出現走位失誤的錯誤。鑒于此必須設計研發出有效的三自由度機械手控制系統。PLC編程算法早在20世紀60年代就被科學界提出，20世紀70年代得以發展，目前在很多機械設備上都應用PLC編程算法，因此本文根據PLC設計了一種三自由度機械手控制系統。

基于PLC算法對系統的硬件部分和軟件部分進行設計，硬件部分有三部分：數據采集器、傳輸器、控制器。軟件部分利用邏輯品編程算法PLC來實現，通過實驗對比分析了本文設計的食品安全網絡監控系統和傳統的網絡安全監控系統相比有哪些優點，實驗證明：本文設計的三自由度機械手控制系統工作需要的成本更低、消耗的時間更短、運行的效率更高、準確性更好，是未來必然的發展趨。

1 基于PLC的三自由度機械手控制系統硬件設計

本文所設計的系統硬件通過數據采集器采集機械手要抓取的物品特征信息，利用數據傳輸器將采集到的信息數據傳遞給下一單元，即控制器，控制器對整個機械手的操作過程進行有效控制。三自由度機械手控制系統的硬件部分總體設計框架圖如圖1所示。

圖1 硬件部分總體設計框架圖

本文提出的三自由度機械手控制系統的數據采集器比其他數據采集器的采集能力更強，因為內部采用了最新上市的TAL7250高端芯片。這款芯片由丹麥TAL公司研發推廣，芯片設有14個連接點，工作時14個連接點利用SMA線連接起來，共同對數據進行采集，大大加強了采集工作效率，降低了工作時間，提高了工作準確性。TAL7250對數據的采集精度可以高達15位，而且采集過程延時極短，僅僅只有3μs，可忽略不記。這款芯片對于工作環境的要求很低，通常當電壓達到15V以上，電流達到50A以上，就可以持續穩定的實施工作。

傳輸器是將采集到的物品特征信息傳輸給控制器，這一過程對于傳輸的效率要求極高，因此本文設計的硬件傳輸器選擇了法國Thced公司在2017年推廣上市的DD6W52傳輸芯片。雖然這款芯片上市時間不長，工作性能和效果還有待考究，但是這款芯片應用了最高端的傳輸技術，內部有8個網絡協同連接，共同完成傳輸工作，傳輸時間極短，一般15位的數據僅僅需要5μs的傳輸時間就可以傳遞到下一個控制單元。

數據控制器是整個硬件系統的最終單元，同時也是最核心部分。這款控制器的主控系統選用PLC型晶體輸出管FX2N，外部連接控制器共有1個串口和三個接口（PWM接口，SPI接口，I/0接口），利用無線收發器接收到傳輸器傳輸過來的信息數據，通過主控芯片完成控制，PWM接口，SPI接口，I/0接口三個接口同時連接顯示模塊、輸入模塊和控制模塊，45個控制端利用PLC算法同時對機械手的工作進行控制。

2 基于PLC的三自由度機械手控制系統軟件設計

在PLC算法上對本文提出的三自由度機械手控制系統進行軟件設計，PLC軟件編程算法如下：

公式中，T代表機械手工作的組態環境，N為輸出脈沖，M為輸入脈沖，s為脈沖個數，l為連接點參數。PLC算法利用AWM指令來獲取脈沖個數，在得到脈沖個數后，在MCGS組態環境下分別算出輸入脈沖和輸出脈沖，由PLS發出指令給控制器，使得兩個機電沖動點同時連接，并且將指令傳出給脈沖輸入端和脈沖輸出端，然后完成對三自由度機械手的控制，并將控制數據記錄在電腦計算機中。至此，三自由度機械手控制系統軟件全部設計完成 。

3 實驗設定

為了測試本文設計的基于PLC的三自由度機械手控制系統在工作時控制能力是否能夠比原有的控制系統更強，設計了對比實驗。設置參數如下：電壓恒定在20V；電流恒定在50A；設置輸入脈沖數據值域在50～100之間；輸入脈沖數據值域在50～100之間；工作時長設置為30min。根據上述設置的參數進行實驗，結果如圖2所示。

圖2 實驗結果對比圖

分析圖2結果得知，雖然傳統三自由度機械手控制系統和本文設計的系統控制能力都會隨著時間的增長而下降，但是傳統系統的控制能力始終遠遠低于本文設計的系統。

4 結語

本文基于PLC針對三自由度機械手控制系統進行設計，給出了硬件系統結構圖和軟件算法。通過本文的探究可以了解到設計的控制系統具有對于三自由度機械手的控制能力更高，能夠有效保障機械手工作的準確性。

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