基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭健

（山東凱文科技職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200）

基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭健

（山東凱文科技職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200）

PLC為可編程邏輯控制器可以在工業(yè)環(huán)境下對數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算操作，PLC大多數(shù)采用的是單片微型計(jì)算機(jī)，因此具有編程容易、結(jié)果可靠性高、靈敏能力強(qiáng)、安裝方便、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文基于PLC（可編程邏輯控制器）角度設(shè)計(jì)了一種三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)，分別對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件部分分為數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)檢測了該三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)是否具有可操作性。實(shí)驗(yàn)證明：本文設(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)可有效地對機(jī)械手進(jìn)行控制，而且控制能力強(qiáng)，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(fēng)險(xiǎn)，值得人們大力推廣和使用。

PLC編程算法；三自由度機(jī)械手；機(jī)械手控制系統(tǒng)

步入21世紀(jì)之后，科技發(fā)展更為迅猛，工業(yè)不斷走向自動化，多年來經(jīng)過反復(fù)的研究與試驗(yàn)，目前使用的機(jī)械手都是利用軟件編程控制工作方式和運(yùn)行軌跡，在工作時(shí)能夠?qū)⑷说闹悄芩季S和機(jī)械操作準(zhǔn)確性有效結(jié)合起來，因此被廣泛應(yīng)用到礦產(chǎn)探究、汽車制造、加工包裝、食品運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前被使用比較廣泛的是二自由度機(jī)械手和三自由度機(jī)械手。三自由度機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，運(yùn)行速度很快，能夠?qū)⒁粋€(gè)和多個(gè)工業(yè)零件快速的從某個(gè)位置放到目標(biāo)位置，而且放置的位置準(zhǔn)確性非常好。三自由度機(jī)械手的基本操作形式分為搖擺式自動取料機(jī)械手和橫行式自動取料機(jī)械手。機(jī)械手的應(yīng)用可以使自動化控制實(shí)現(xiàn)更加容易，減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，降低操作人員在工作時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障工作人員在惡劣條件下的身體健康，同時(shí)也能很好地提高工作效率。

目前科學(xué)界提出了多種多樣的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)，這些機(jī)械手控制系統(tǒng)在部分領(lǐng)域都有所應(yīng)用?？墒菗?jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)研發(fā)控制系統(tǒng)的可操作性并不高，而且在操作過程經(jīng)常出現(xiàn)走位失誤的錯(cuò)誤。鑒于此必須設(shè)計(jì)研發(fā)出有效的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)。PLC編程算法早在20世紀(jì)60年代就被科學(xué)界提出，20世紀(jì)70年代得以發(fā)展，目前在很多機(jī)械設(shè)備上都應(yīng)用PLC編程算法，因此本文根據(jù)PLC設(shè)計(jì)了一種三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)。

基于PLC算法對系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件部分有三部分：數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)對比分析了本文設(shè)計(jì)的食品安全網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)相比有哪些優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明：本文設(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)工作需要的成本更低、消耗的時(shí)間更短、運(yùn)行的效率更高、準(zhǔn)確性更好，是未來必然的發(fā)展趨。

1 基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件通過數(shù)據(jù)采集器采集機(jī)械手要抓取的物品特征信息，利用數(shù)據(jù)傳輸器將采集到的信息數(shù)據(jù)傳遞給下一單元，即控制器，控制器對整個(gè)機(jī)械手的操作過程進(jìn)行有效控制。三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件部分總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

圖1 硬件部分總體設(shè)計(jì)框架圖

本文提出的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器比其他數(shù)據(jù)采集器的采集能力更強(qiáng)，因?yàn)閮?nèi)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(fā)推廣，芯片設(shè)有14個(gè)連接點(diǎn)，工作時(shí)14個(gè)連接點(diǎn)利用SMA線連接起來，共同對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，大大加強(qiáng)了采集工作效率，降低了工作時(shí)間，提高了工作準(zhǔn)確性。TAL7250對數(shù)據(jù)的采集精度可以高達(dá)15位，而且采集過程延時(shí)極短，僅僅只有3μs，可忽略不記。這款芯片對于工作環(huán)境的要求很低，通常當(dāng)電壓達(dá)到15V以上，電流達(dá)到50A以上，就可以持續(xù)穩(wěn)定的實(shí)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?shù)男室髽O高，因此本文設(shè)計(jì)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(shí)間不長，工作性能和效果還有待考究，但是這款芯片應(yīng)用了最高端的傳輸技術(shù)，內(nèi)部有8個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同連接，共同完成傳輸工作，傳輸時(shí)間極短，一般15位的數(shù)據(jù)僅僅需要5μs的傳輸時(shí)間就可以傳遞到下一個(gè)控制單元。

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

2 基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在PLC算法上對本文提出的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，PLC軟件編程算法如下：

公式中，T代表機(jī)械手工作的組態(tài)環(huán)境，N為輸出脈沖，M為輸入脈沖，s為脈沖個(gè)數(shù)，l為連接點(diǎn)參數(shù)。PLC算法利用AWM指令來獲取脈沖個(gè)數(shù)，在得到脈沖個(gè)數(shù)后，在MCGS組態(tài)環(huán)境下分別算出輸入脈沖和輸出脈沖，由PLS發(fā)出指令給控制器，使得兩個(gè)機(jī)電沖動點(diǎn)同時(shí)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(jī)械手的控制，并將控制數(shù)據(jù)記錄在電腦計(jì)算機(jī)中。至此，三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件全部設(shè)計(jì)完成 。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)定

為了測試本文設(shè)計(jì)的基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)在工作時(shí)控制能力是否能夠比原有的控制系統(tǒng)更強(qiáng)，設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)。設(shè)置參數(shù)如下：電壓恒定在20V；電流恒定在50A；設(shè)置輸入脈沖數(shù)據(jù)值域在50～100之間；輸入脈沖數(shù)據(jù)值域在50～100之間；工作時(shí)長設(shè)置為30min。根據(jù)上述設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖

分析圖2結(jié)果得知，雖然傳統(tǒng)三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制能力都會隨著時(shí)間的增長而下降，但是傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制能力始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本文基于PLC針對三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和軟件算法。通過本文的探究可以了解到設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有對于三自由度機(jī)械手的控制能力更高，能夠有效保障機(jī)械手工作的準(zhǔn)確性。

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