PLC在工業(yè)機械手的應(yīng)用研究

胡偉剛

[摘 要]工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。PLC 控制機械手體積小且可以在現(xiàn)場修改和調(diào)試程序，達到對生產(chǎn)要求的隨時改變；因此應(yīng)用PLC 控制機械手可以實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。

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

機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)計的目的要求實現(xiàn)相關(guān)的動作，比如抓取物料，搬運東西等一些簡單的動作。這種自動化裝置可以代替生產(chǎn)車間里面繁重的人力勞動以及代替工人在一些高危環(huán)境，高危行業(yè)里面進行作業(yè)。工業(yè)機械手是近年來發(fā)展起來的高科技設(shè)備，它涉及機械，力學(xué)，自動控制，傳感器，計算機等領(lǐng)域，是一個跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。由于機械手在工業(yè)部門的強大作用，必然為國民經(jīng)濟領(lǐng)域帶來廣泛的發(fā)展空間。為此對工業(yè)機械手的研究顯得很有必要。

機械手在工業(yè)自動化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，如：機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、機械手在工廠自動化運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，還可以完成人無法完成的操作，從而大大提高工業(yè)生產(chǎn)效率。

機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。構(gòu)成機械手傳動及控制的主要部件是：步進電機及其驅(qū)動器，PLC，直流電機驅(qū)動及其他部分。現(xiàn)將主要部分主要功能介紹如下。

一、機械手的概述和工作原理

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

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

2.機械手的工作原理。機械手主要是由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、位置監(jiān)測的裝置、以及執(zhí)行機構(gòu)四個部件組成。機械手在PLC程序的控制條件下，運用PLC的傳動方式，進而完成執(zhí)行機構(gòu)等相應(yīng)部位需要做的規(guī)定動作，有運動的軌跡，有順序以及一定的時間和速度的動作。

與此同時可以依照控制系統(tǒng)發(fā)出的信息向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的指令，有時也會對機械手的某些動作進行實時的監(jiān)控，一旦動作發(fā)生錯誤或者是機械出現(xiàn)故障，那么隨即發(fā)出報警信號。

而位置監(jiān)測的裝置則會隨時把執(zhí)行機構(gòu)的具體位置反饋到控制系統(tǒng)，并會與設(shè)定的位置做比較，最后通過PLC控制系統(tǒng)對執(zhí)行機構(gòu)位置不合適的地方進行調(diào)整，進而使執(zhí)行機構(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)字的計算來實現(xiàn)控制設(shè)備。PLC主要是根據(jù)當(dāng)前的工業(yè)機械情況進行設(shè)計，運用當(dāng)前的可編程存儲器使內(nèi)部的流程控制更順利，存儲的邏輯計算以及計時和定時等各個功能的操作更便捷、準(zhǔn)確。通過數(shù)字信號和模擬信號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)用在開關(guān)量相對比較多的系統(tǒng)。如今PLC的應(yīng)用范圍擴展到現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)中，復(fù)雜的工業(yè)機械生產(chǎn)對PLC的應(yīng)用也越來越廣泛。

PLC技術(shù)的特點：

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的價格也隨之降低了很多。其次PLC的結(jié)點非常高度集中，代替了很多繼電器，從而降低了一次性的投資成本。

2.功能強大。隨著社會的快速發(fā)展，計算機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。與此同時，解決了許多在工業(yè)生產(chǎn)線上面臨的問題，比如對大量的信息處理和設(shè)備的運轉(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 控制器與步進電機驅(qū)動器連接的工作原理

圖中脈沖信號發(fā)生電路用以產(chǎn)生步進脈沖信號，其頻率按步進電機進給速度的要求設(shè)計，步進量采用步進脈沖計數(shù)法進行控制，具體做法就是PLC的調(diào)整脈沖輸入端和調(diào)整脈沖計數(shù)器對進給脈沖計數(shù)，按脈沖的個數(shù)控制進給量。采用硬件脈沖信號發(fā)生電路，工作頻率較高，可在數(shù)控裝置中作多軸插補控制，亦可方便地用于各種機械裝置的驅(qū)動。

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

四、工業(yè)機械手PLC 控制系統(tǒng)的控制要求

控制要求：實現(xiàn)把放在A地的物塊拿到B地。并實現(xiàn)對機械手各動作的順序控制。機械手傳送工件系統(tǒng)示意圖。

以機械手復(fù)位點為原點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個部分。系統(tǒng)啟動時，程序運行復(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2秒。當(dāng)有工件放在工作臺A上時，啟動條件允許，則機械手橫軸開始前伸80mm。當(dāng)前伸到位時，停止前伸，機械手氣夾旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位后，手張開（Q1.0=0）。然后機械手豎軸下降，下降50mm時，停止下降。

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

五、結(jié)語

本文介紹了工業(yè)機械手的主要部分、機械手控制流程以及控制過程中應(yīng)解決的主要問題。PLC控制器與步進電機驅(qū)動器連接工作可實現(xiàn)機械手的定位精準(zhǔn)，最終可實現(xiàn)機械手在空間中的準(zhǔn)確定位并抓放物體。本系可以根據(jù)機械手的不同作業(yè)要求，編程設(shè)計不一樣的程序來實現(xiàn)預(yù)期的動作結(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，可實現(xiàn)動作多樣，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)，實現(xiàn)人機智能化。

總之，工業(yè)機械手是工業(yè)上經(jīng)常使用的一種設(shè)備，將PLC控制應(yīng)用于工業(yè)機械手上可以根據(jù)機械手的不同作業(yè)要求，編程設(shè)計不一樣的程序來實現(xiàn)預(yù)期的動作結(jié)果，從而滿足生產(chǎn)線上對控制單元的要求，同時具備結(jié)構(gòu)簡單、價格適宜以及性能可靠的優(yōu)點，實現(xiàn)人機智能化，并得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。

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