多關節工業機械手PLC控制系統

王星陽

摘 要： 隨著社會和科學技術的發展，工業生產的操作方式也發生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產方式，人類也逐漸無法完成某些生產過程，所以為了適應生產的需要出現了特殊的生產工具——機械手。與此同時也出現了一些新的生產活動，在這些生產活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷害較大，有些領域不適宜人類工作，機械手則正好適應這類工作。

關鍵詞： 三自由度；機械手；PLC系統

多關節機械手可以完成對不同形狀、不規則工件的抓握，與傳統的機械手相比，具有動作靈活，運動慣性小、通用性強、能抓取靠近基座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作等優點。傳統的機械手采用繼電氣控制，由于其線路復雜、維護困難、可靠性差等缺點，無法滿足機械手控制的需求。可編程控制器（PLC）的出現使得這類問題得到解決，PLC控制，具有結構簡單、控制方便、可靠性高、編程簡單、功耗低和改造方便的特點，能夠完成動作要求精度高的工作。

1機械手結構

軸承裝配是軸承生產過程中的最后且極為重要的環節，而軸承壓蓋機則是裝配先上較為復雜的部分。利用機械手在軸承裝配線上，通過PLC控制機械手的動作，完成取軸承、加蓋及轉移工件，最后控制壓蓋機完成壓蓋的整個過程。圖1-1是某以生產線上機械手的工作示意圖。

利用PLC控制電動機的轉動和電磁閥的通斷，電動機的轉動來驅動機械手臂的左右旋轉，電磁閥驅動氣缸的升降控制機械手臂的上升和下降。多關節機械手的工作過程如圖1-2所示：

2 硬件系統設計

按照控制系統的控制要求，在此系統中僅靠PLC主機是無法完成控制要求的，因此擴展了一個I/O和兩個模擬量輸入/輸出模塊，以及兩個光電開關和一個可控電動機，控制系統的硬件框圖如圖2-1所示。

2.1 PLC的選型

根據系統控制要求并從經濟性和可靠性等方面考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為此機械手控制系統的控制主機。三自由度工業機械手PLC控制系統總共有15個數字量輸入，8個數字量輸出，供需23點I/O口，根據I/O點數，選用了CPU224作為主機。同時擴展一個I/O模塊，選用EM223輸入/輸出混合擴展模塊中的4點輸入/4出輸出模塊。由于需要測量每個手指的壓力值，需要將傳感器的值輸入到PLC中進行判斷，所以擴展兩個模擬量模塊，全部選用4路模擬量輸入/1路模擬量輸出的EM235模塊。EM223和EM235只需要將排線插到主機及擴展模塊的插槽上。

2.2 PLC 的I/O資源配置

根據控制系統的功能要求，對PLC進行I/O及其他資源的分配，具體分配如下。

2.3 其他資源設置

要完成系統的功能除了PLC及其擴展模塊之外，還需要各種限位開關、光電開關、傳感器及編碼盤等儀器設備。

3 軟件系統設計

根據機械手動作和要實現的功能，多關節機械手控制系統流程圖如圖3-1所示。

控制系統的主程序，主要是對高速計數器和高速脈沖輸出進行初始化。對于高速計數器，選用高速計數器HSC0，工作方式為模式0，輸入口為I0.0。

對于高速脈沖輸出控制，設置為脈沖輸出方式，輸出口為Q0.0。脈沖的輸出設置為多段管線輸出，本例中采用3段輸出，完成設置的功能為：時間基準為μs級、不允許更新周期和脈沖數。

手臂的左右旋轉采用步進電機進行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計數器和高速脈沖輸出，對發出的脈沖數和接收到的脈沖數進行比較，定位準確，如果兩者有偏差，則補發脈沖，最后達到設定的位置上。

多關節機械手控制系統傳感器值1和傳感器值2處理子程序，都是針對傳感器采集到的值傳到PLC處理的子程序，由于機械手爪在每次加工過程中，都需要移動兩個工件，對于不同的工件，手爪的力度是不同的，為了防止抓緊力過大，對工件造成損壞，設置兩個不同的壓力對比值。

在多關節機械手的工作過程中，機械手爪是嚴格按照一定的順序運行的，采用順序控制指令能夠非常方便地按照工藝的流程進行設計，當下一個動作開始執行時，前一個動作中的所有元件全部復位到初始狀態，減少了出現誤動作的概率。

參考文獻

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