胡偉剛

[摘 要]工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。PLC 控制機(jī)械手體積小且可以在現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)要求的隨時(shí)改變；因此應(yīng)用PLC 控制機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工序動(dòng)作，可以簡(jiǎn)化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

[關(guān)鍵詞]PLC；工業(yè)機(jī)械手；可編控制器；應(yīng)用

機(jī)械手顧名思義他能夠?qū)崿F(xiàn)人類手的部分功能，可以按設(shè)計(jì)的目的要求實(shí)現(xiàn)相關(guān)的動(dòng)作，比如抓取物料，搬運(yùn)東西等一些簡(jiǎn)單的動(dòng)作。這種自動(dòng)化裝置可以代替生產(chǎn)車間里面繁重的人力勞動(dòng)以及代替工人在一些高危環(huán)境，高危行業(yè)里面進(jìn)行作業(yè)。工業(yè)機(jī)械手是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高科技設(shè)備，它涉及機(jī)械，力學(xué)，自動(dòng)控制，傳感器，計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，是一個(gè)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。由于機(jī)械手在工業(yè)部門的強(qiáng)大作用，必然為國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域帶來(lái)廣泛的發(fā)展空間。為此對(duì)工業(yè)機(jī)械手的研究顯得很有必要。

機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，如：機(jī)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(yīng)用、機(jī)械手在工廠自動(dòng)化運(yùn)輸線中把工件從一條傳輸帶搬到另一條傳輸帶上的應(yīng)用等等。它可以減少人的重復(fù)操作，還可以完成人無(wú)法完成的操作，從而大大提高工業(yè)生產(chǎn)效率。

機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。構(gòu)成機(jī)械手傳動(dòng)及控制的主要部件是：步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，PLC，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其他部分?，F(xiàn)將主要部分主要功能介紹如下。

一、機(jī)械手的概述和工作原理

1.機(jī)械手的概述。機(jī)械手是指可以幫助人類實(shí)現(xiàn)手的部分功能的設(shè)備，他可以依據(jù)設(shè)計(jì)來(lái)完成一些要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的一些動(dòng)作。例如，搬運(yùn)東西、抓取某些東西等一些最基本的動(dòng)作。該種自動(dòng)化裝置不僅可以減輕人們的體力勞動(dòng)，而且也可以代替一些工人在高危環(huán)境下的工作，減少危險(xiǎn)的發(fā)生。工業(yè)機(jī)械手作為一項(xiàng)科技含量高的設(shè)備，包括很多領(lǐng)域：比如自動(dòng)控制、機(jī)械、計(jì)算機(jī)以及力學(xué)等。

考慮到機(jī)械手在當(dāng)前工業(yè)上具有如此強(qiáng)大的作用，因此研究工業(yè)機(jī)械手是非常重要的工作。而PLC是為工業(yè)機(jī)械而設(shè)計(jì)的一種電子控制系統(tǒng)，自二十世紀(jì)六十年代開(kāi)始發(fā)展便受到了各個(gè)行業(yè)的歡迎。PLC技術(shù)將微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通訊技術(shù)進(jìn)行了融合，從而使用戶可以通過(guò)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編寫來(lái)控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程?；赑LC穩(wěn)定性強(qiáng)以及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)控制產(chǎn)品。

2.機(jī)械手的工作原理。機(jī)械手主要是由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置監(jiān)測(cè)的裝置、以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)部件組成。機(jī)械手在PLC程序的控制條件下，運(yùn)用PLC的傳動(dòng)方式，進(jìn)而完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)等相應(yīng)部位需要做的規(guī)定動(dòng)作，有運(yùn)動(dòng)的軌跡，有順序以及一定的時(shí)間和速度的動(dòng)作。

與此同時(shí)可以依照控制系統(tǒng)發(fā)出的信息向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的指令，有時(shí)也會(huì)對(duì)機(jī)械手的某些動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，一旦動(dòng)作發(fā)生錯(cuò)誤或者是機(jī)械出現(xiàn)故障，那么隨即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

而位置監(jiān)測(cè)的裝置則會(huì)隨時(shí)把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體位置反饋到控制系統(tǒng)，并會(huì)與設(shè)定的位置做比較，最后通過(guò)PLC控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置不合適的地方進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度在設(shè)定的位置上工作。

二、PLC技術(shù)的概述

PLC是一種電子系統(tǒng)，技術(shù)的核心主要是應(yīng)用數(shù)字的計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備。PLC主要是根據(jù)當(dāng)前的工業(yè)機(jī)械情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用當(dāng)前的可編程存儲(chǔ)器使內(nèi)部的流程控制更順利，存儲(chǔ)的邏輯計(jì)算以及計(jì)時(shí)和定時(shí)等各個(gè)功能的操作更便捷、準(zhǔn)確。通過(guò)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間完成輸入和輸出，從而更好的控制設(shè)備生產(chǎn)操作。

在二十世紀(jì)九十年代初，PLC主要應(yīng)用在開(kāi)關(guān)量相對(duì)比較多的系統(tǒng)。如今PLC的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)中，復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械生產(chǎn)對(duì)PLC的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

PLC技術(shù)的特點(diǎn)：

1.成本低。首先，由于微處理器以及電子元件得到了大量應(yīng)用，使成本得到了有效降低，PLC的價(jià)格也隨之降低了很多。其次PLC的結(jié)點(diǎn)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(qiáng)大。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的軟件和硬件也得到了快速的發(fā)展。因此，PLC的適用性更強(qiáng)。與此同時(shí)，解決了許多在工業(yè)生產(chǎn)線上面臨的問(wèn)題，比如對(duì)大量的信息處理和設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)等。

3.通訊技術(shù)與PLC技術(shù)的完美結(jié)合。當(dāng)前全世界的通訊主站和從站都是基于PLC技術(shù)。正是兩者的完美結(jié)合，才使得PLC技術(shù)在通訊行業(yè)有著不可替代的作用。

三、PLC 控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接的工作原理

圖中脈沖信號(hào)發(fā)生電路用以產(chǎn)生步進(jìn)脈沖信號(hào)，其頻率按步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給速度的要求設(shè)計(jì)，步進(jìn)量采用步進(jìn)脈沖計(jì)數(shù)法進(jìn)行控制，具體做法就是PLC的調(diào)整脈沖輸入端和調(diào)整脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)進(jìn)給脈沖計(jì)數(shù)，按脈沖的個(gè)數(shù)控制進(jìn)給量。采用硬件脈沖信號(hào)發(fā)生電路，工作頻率較高，可在數(shù)控裝置中作多軸插補(bǔ)控制，亦可方便地用于各種機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)。

PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作原理：驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，注意正負(fù)極性，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。

四、工業(yè)機(jī)械手PLC 控制系統(tǒng)的控制要求

控制要求：實(shí)現(xiàn)把放在A地的物塊拿到B地。并實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手各動(dòng)作的順序控制。機(jī)械手傳送工件系統(tǒng)示意圖。

以機(jī)械手復(fù)位點(diǎn)為原點(diǎn)O（0，0，0），建立坐標(biāo)系，單位為mm。A地的坐標(biāo)是（80，50，0），B地的坐標(biāo)為（80，50，30）。根據(jù)控制要求，邏輯流程可以分為15個(gè)部分。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，程序運(yùn)行復(fù)位，各映象寄存器清0，氣夾、基座、X軸、Y軸復(fù)位。各部位復(fù)位完成后，延時(shí)2秒。當(dāng)有工件放在工作臺(tái)A上時(shí)，啟動(dòng)條件允許，則機(jī)械手橫軸開(kāi)始前伸80mm。當(dāng)前伸到位時(shí)，停止前伸，機(jī)械手氣夾旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位后，手張開(kāi)（Q1.0=0）。然后機(jī)械手豎軸下降，下降50mm時(shí)，停止下降。

這時(shí)手開(kāi)始夾緊工件（Q1.0=0），同時(shí)啟動(dòng)延時(shí)0.5s（可以取T40）。待T40時(shí)間到，豎軸開(kāi)始上升50mm，上升到位時(shí)，停止上升。機(jī)械手橫軸開(kāi)始縮回80mm，當(dāng)?shù)胶笪粫r(shí)，停止縮回。這時(shí)基座開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生一個(gè)Vpp為24V的方波信號(hào)，每旋轉(zhuǎn)3°編碼器發(fā)出一個(gè)脈沖，用于機(jī)械手的定位控制。旋轉(zhuǎn)到位后，橫軸開(kāi)始前伸80mm，當(dāng)前伸到位后，停止前伸。手開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)到位后，豎軸開(kāi)始下降50mm，當(dāng)下降到低位時(shí)，停止下降。機(jī)械手在低位時(shí)開(kāi)始松開(kāi)工件，同時(shí)啟動(dòng)延時(shí)0.5s定時(shí)器（T40）。待延時(shí)時(shí)間到，豎軸又開(kāi)始上升。并通過(guò)程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手軟件復(fù)位。機(jī)械手等待工作臺(tái)A再一次有物塊時(shí)，進(jìn)行下一周期操作。

五、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了工業(yè)機(jī)械手的主要部分、機(jī)械手控制流程以及控制過(guò)程中應(yīng)解決的主要問(wèn)題。PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接工作可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位精準(zhǔn)，最終可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在空間中的準(zhǔn)確定位并抓放物體。本系可以根據(jù)機(jī)械手的不同作業(yè)要求，編程設(shè)計(jì)不一樣的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作結(jié)果；很大程度上方便了用戶企業(yè)使用者的調(diào)試。綜上研究結(jié)果，本系統(tǒng)功能靈活，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作多樣，調(diào)試方便，定位快速，并可以根據(jù)用戶相關(guān)控制需要調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能化。

總之，工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)上經(jīng)常使用的一種設(shè)備，將PLC控制應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械手上可以根據(jù)機(jī)械手的不同作業(yè)要求，編程設(shè)計(jì)不一樣的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作結(jié)果，從而滿足生產(chǎn)線上對(duì)控制單元的要求，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格適宜以及性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能化，并得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。

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