多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)

王星陽

摘 要： 隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動(dòng)，逐漸演變成自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具——機(jī)械手。與此同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動(dòng)，在這些生產(chǎn)活動(dòng)中，有些是屬于高危險(xiǎn)的，對(duì)人體傷害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作，機(jī)械手則正好適應(yīng)這類工作。

關(guān)鍵詞： 三自由度；機(jī)械手；PLC系統(tǒng)

多關(guān)節(jié)機(jī)械手可以完成對(duì)不同形狀、不規(guī)則工件的抓握，與傳統(tǒng)的機(jī)械手相比，具有動(dòng)作靈活，運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近基座的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械手采用繼電氣控制，由于其線路復(fù)雜、維護(hù)困難、可靠性差等缺點(diǎn)，無法滿足機(jī)械手控制的需求。可編程控制器（PLC）的出現(xiàn)使得這類問題得到解決，PLC控制，具有結(jié)構(gòu)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(diǎn)，能夠完成動(dòng)作要求精度高的工作。

1機(jī)械手結(jié)構(gòu)

軸承裝配是軸承生產(chǎn)過程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機(jī)則是裝配先上較為復(fù)雜的部分。利用機(jī)械手在軸承裝配線上，通過PLC控制機(jī)械手的動(dòng)作，完成取軸承、加蓋及轉(zhuǎn)移工件，最后控制壓蓋機(jī)完成壓蓋的整個(gè)過程。圖1-1是某以生產(chǎn)線上機(jī)械手的工作示意圖。

利用PLC控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和電磁閥的通斷，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)，電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸的升降控制機(jī)械手臂的上升和下降。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作過程如圖1-2所示：

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照控制系統(tǒng)的控制要求，在此系統(tǒng)中僅靠PLC主機(jī)是無法完成控制要求的，因此擴(kuò)展了一個(gè)I/O和兩個(gè)模擬量輸入/輸出模塊，以及兩個(gè)光電開關(guān)和一個(gè)可控電動(dòng)機(jī)，控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖2-1所示。

2.1 PLC的選型

根據(jù)系統(tǒng)控制要求并從經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為此機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。三自由度工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)總共有15個(gè)數(shù)字量輸入，8個(gè)數(shù)字量輸出，供需23點(diǎn)I/O口，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，選用了CPU224作為主機(jī)。同時(shí)擴(kuò)展一個(gè)I/O模塊，選用EM223輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊中的4點(diǎn)輸入/4出輸出模塊。由于需要測(cè)量每個(gè)手指的壓力值，需要將傳感器的值輸入到PLC中進(jìn)行判斷，所以擴(kuò)展兩個(gè)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(jī)及擴(kuò)展模塊的插槽上。

2.2 PLC 的I/O資源配置

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，對(duì)PLC進(jìn)行I/O及其他資源的分配，具體分配如下。

2.3 其他資源設(shè)置

要完成系統(tǒng)的功能除了PLC及其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種限位開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器及編碼盤等儀器設(shè)備。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作和要實(shí)現(xiàn)的功能，多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖如圖3-1所示。

控制系統(tǒng)的主程序，主要是對(duì)高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出進(jìn)行初始化。對(duì)于高速計(jì)數(shù)器，選用高速計(jì)數(shù)器HSC0，工作方式為模式0，輸入口為I0.0。

對(duì)于高速脈沖輸出控制，設(shè)置為脈沖輸出方式，輸出口為Q0.0。脈沖的輸出設(shè)置為多段管線輸出，本例中采用3段輸出，完成設(shè)置的功能為：時(shí)間基準(zhǔn)為μs級(jí)、不允許更新周期和脈沖數(shù)。

手臂的左右旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出，對(duì)發(fā)出的脈沖數(shù)和接收到的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，定位準(zhǔn)確，如果兩者有偏差，則補(bǔ)發(fā)脈沖，最后達(dá)到設(shè)定的位置上。

多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)傳感器值1和傳感器值2處理子程序，都是針對(duì)傳感器采集到的值傳到PLC處理的子程序，由于機(jī)械手爪在每次加工過程中，都需要移動(dòng)兩個(gè)工件，對(duì)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(duì)工件造成損壞，設(shè)置兩個(gè)不同的壓力對(duì)比值。

在多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作過程中，機(jī)械手爪是嚴(yán)格按照一定的順序運(yùn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)下一個(gè)動(dòng)作開始執(zhí)行時(shí)，前一個(gè)動(dòng)作中的所有元件全部復(fù)位到初始狀態(tài)，減少了出現(xiàn)誤動(dòng)作的概率。

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