基于PLC的機(jī)械手控制設(shè)計(jì)

謝智英 焦承東

摘?要：隨著時(shí)代的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，我們的生產(chǎn)和生活已逐步被自動(dòng)化和智能化所替代，機(jī)械手是其代表之一。它作為機(jī)器人的關(guān)鍵部位，是參照人手和臂的某些功能性動(dòng)作而設(shè)計(jì)成的自動(dòng)機(jī)械裝置，可以按照固定的操作程序用來抓取、搬運(yùn)物件或操作等，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)的目的。本文在PLC技術(shù)的基礎(chǔ)上，以機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為重點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;PLC;控制系統(tǒng)

1 緒論

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械手在世界各國(guó)得到了廣泛使用。機(jī)械手主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、及位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)等部件構(gòu)成，為了能夠靈活自由地全方位抓取空間中的各種物體，機(jī)械手需要設(shè)計(jì)多個(gè)自由度，自由度越多，機(jī)械手抓取物體越靈活，使用范圍越廣泛，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。一般專用機(jī)械手可設(shè)置2～3個(gè)自由度，復(fù)雜的可設(shè)置6個(gè)自由度。對(duì)自由度的控制是由控制系統(tǒng)通過控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手自由度控制的。依靠傳感器接收機(jī)械手反饋的信息再次傳輸給機(jī)械手，形成一個(gè)閉環(huán)控制。

在生產(chǎn)過程中采用性價(jià)比高的可編程序控制器PLC設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，可使控制過程更加清晰明確，精確可靠，減少了手動(dòng)工作量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力，減輕了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了良好的工作效果，具有重要意義。

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手的硬件控制主要依靠步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，軟件控制采用PLC程序來實(shí)現(xiàn)。給步進(jìn)電機(jī)加不同的方向信號(hào)，可以改變機(jī)械手的轉(zhuǎn)向。要啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)必須先給它一個(gè)脈沖輸入信號(hào)，否則電機(jī)不能動(dòng)作。開機(jī)時(shí)要先給機(jī)械手接通電源，按下啟動(dòng)按鈕，才能進(jìn)行下一步工作，通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、前伸、后縮的動(dòng)作，通過2個(gè)繼電器之間的斷開與吸合來控制機(jī)械手氣夾和基座的正、反轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。步進(jìn)電機(jī)是一種能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的一種電機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，可以通過控制輸入脈沖的頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以通過改變輸入脈沖順序來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。改變電機(jī)繞組通電的相序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比、輸出轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。可以通過控制脈沖數(shù)量、改變繞組通電相序來及選擇合適的脈沖頻率來使電機(jī)具有不同的轉(zhuǎn)向。直流無刷電機(jī)可帶動(dòng)360°的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)回旋，體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。

3 機(jī)械手控制程序軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械手軟件設(shè)計(jì)采用模塊化，將它分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。按照機(jī)械手動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)出它的運(yùn)行程序，通過控制指令來控制整機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況。

手動(dòng)模式動(dòng)作程序如圖2，采用繼電器控制配合PLC程序?qū)崿F(xiàn)，在手動(dòng)模式下，可以不根據(jù)工序要求的順序工作，根據(jù)自己需要控制機(jī)械手的動(dòng)作過程。在該模式下，機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)手臂上升、手臂下降、吸盤吸氣、吸盤放氣、引拔前進(jìn)、引拔后退、旋出、旋入等8個(gè)動(dòng)作。與圖2程序圖中的X17、X16、X14、X15、X22、X23、X20、X21控制按鈕相對(duì)應(yīng)。

自動(dòng)模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3，在系統(tǒng)程序運(yùn)行之前，要先對(duì)其進(jìn)行初始化，使整個(gè)機(jī)組處于初始化位置。按下啟動(dòng)按鈕，狀態(tài)變?yōu)镾20，輸出Y3下降信號(hào)，機(jī)械手手臂下行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)手臂下行靠近下極限時(shí)下近接開關(guān)X4導(dǎo)通，狀態(tài)變?yōu)镾21，S20自動(dòng)變回原來的狀態(tài)。在S21狀態(tài)下，輸出Y7吸氣信號(hào)，氣缸開始吸氣，當(dāng)吸氣到接近開關(guān)X8時(shí)，狀態(tài)變?yōu)镾22，輸出Y2上升信號(hào)，機(jī)械手手臂上行運(yùn)動(dòng)……按照?qǐng)D3的順序，順時(shí)針執(zhí)行，一直到S29狀態(tài)，執(zhí)行完S29狀態(tài)后，又回到S2狀態(tài)，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。在運(yùn)行過程中，只要相應(yīng)的信號(hào)有輸出，對(duì)應(yīng)的電磁閥線圈就會(huì)導(dǎo)通，與其對(duì)應(yīng)的氣缸就會(huì)發(fā)生動(dòng)作，一直到下一個(gè)近接開關(guān)導(dǎo)通。

4 結(jié)論

綜上所述，機(jī)械手設(shè)計(jì)系統(tǒng)在PLC技術(shù)的基礎(chǔ)上，能較好地對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，對(duì)于整個(gè)程序具有保證安全可靠、保障生產(chǎn)進(jìn)度和提高生產(chǎn)質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上避免了人為風(fēng)險(xiǎn)，保證了生產(chǎn)安全。因此，企業(yè)必須對(duì)PLC技術(shù)下的機(jī)械手控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)引起足夠的重視，對(duì)先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式加以引進(jìn)，結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理化的機(jī)械手軟件系統(tǒng)，使生產(chǎn)線程序協(xié)調(diào)運(yùn)作，良好的抗干擾性能得以充分發(fā)揮，從而提升企業(yè)的生產(chǎn)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]常苗苗.三菱PLC控制的機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作，2013，08：207.

作者簡(jiǎn)介：謝智英（1979-），女，苗族，貴州思南人，碩士，副高，研究方向：電氣控制。