基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

呂穎利 ，常小明

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000）

機(jī)械手被應(yīng)用于多種生產(chǎn)領(lǐng)域，不僅能夠解放更多的人力資源，還可以保證精準(zhǔn)度。特別是在出現(xiàn)有害物質(zhì)的情況下，機(jī)械手可以替代人工進(jìn)行日常工作，降低員工受相關(guān)物質(zhì)影響的可能性?，F(xiàn)階段，機(jī)械手可依托自動(dòng)化機(jī)械控制，提高工業(yè)生產(chǎn)效率。因此，相關(guān)部門的管理人員需要不斷加大資金研發(fā)投入，為機(jī)械手的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 機(jī)械手概述

機(jī)械手主要由控制機(jī)器、驅(qū)動(dòng)服務(wù)器、機(jī)械本體三個(gè)部分組成，是一種能夠完成部分人力工作的自動(dòng)化控制生產(chǎn)設(shè)備。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化來講，機(jī)械運(yùn)作并不是完全代替人工操作，而是一種高效進(jìn)行資源整合與操作的電子裝置，既能夠擁有人類對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的高效判斷，還能夠保證設(shè)備持續(xù)運(yùn)行，這對(duì)企業(yè)來講既能減少資源浪費(fèi)，還能提升工作效率[1]。

機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人中最為常見的一個(gè)部分，可利用程序的控制進(jìn)行生產(chǎn)安裝等簡(jiǎn)單的操作。作為近現(xiàn)代科技發(fā)展的產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)形式也具有簡(jiǎn)單操作的特點(diǎn)，現(xiàn)如今為了能夠更好地配置工業(yè)化需求，相關(guān)部門已經(jīng)研究出了一套可以進(jìn)行針對(duì)性操作的系統(tǒng)控制軟件，可在限定的空間內(nèi)靈活搬運(yùn)物體，有效保障在惡劣生產(chǎn)環(huán)境下員工的人身安全，最大限度地提升勞動(dòng)產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，機(jī)械手在生產(chǎn)過程中也有很多的優(yōu)勢(shì)：1）能夠完美按照工藝發(fā)展的需要，半替代或者完全替代人工的操作。2）按照相應(yīng)的程序進(jìn)行日常的運(yùn)行工作。3）機(jī)械手的操作可以滿足裝配需要。4）機(jī)械手可以在高溫的條件下運(yùn)行，保證員工的安全性，節(jié)約原材料，減少生產(chǎn)過程中的資源浪費(fèi)。

現(xiàn)如今機(jī)械化發(fā)展已經(jīng)越來越受到社會(huì)各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，國(guó)家不斷投入相關(guān)資金用于技術(shù)的研發(fā)與機(jī)械手的創(chuàng)新和發(fā)展。在現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的前提下，若依舊使用傳統(tǒng)的技術(shù)便難以適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展對(duì)機(jī)械手的現(xiàn)實(shí)需要。針對(duì)上述問題，筆者認(rèn)為PLC可編程序控制可以優(yōu)化系統(tǒng)，提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

2 PLC編程設(shè)計(jì)概述

PLC的全稱為Proframmable Logical Controller，目前PLC已經(jīng)被應(yīng)用于多種類自動(dòng)化控制工作中，還兼?zhèn)渎?lián)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)等功能，在應(yīng)用工作中主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1）可靠性更強(qiáng)。對(duì)于工業(yè)化的日常工作來講，PLC可以在惡劣環(huán)境下保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大量的實(shí)踐證明，PLC可以保證數(shù)萬小時(shí)的平穩(wěn)運(yùn)行，因此在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。2）較強(qiáng)的自我診斷能力。在運(yùn)行的狀態(tài)下，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序，當(dāng)發(fā)現(xiàn)程序存在問題時(shí)則第一時(shí)間停止程序的操作，切斷中間的信號(hào)，以便最大限度地降低損失。PLC主要模塊會(huì)在系統(tǒng)中使用集成電路，在運(yùn)行過程中保護(hù)信號(hào)。在軟件上也有著數(shù)字濾波的特點(diǎn)，這種系統(tǒng)與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相比，更符合工業(yè)的特點(diǎn)[2]。3）操作簡(jiǎn)單。PLC是利用程序系統(tǒng)執(zhí)行操作的自動(dòng)化控制，當(dāng)需要進(jìn)行更改操作時(shí)，便可以第一時(shí)間修改內(nèi)部程序，最大程度地優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)?，F(xiàn)如今PLC產(chǎn)品已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，用戶可以全自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的操作，在控制過程中，只需要在端口上接入相應(yīng)的操作控制信號(hào)接口，可以直接操作接觸器。PLC在編程過程中使用了多種語言，作為面向工業(yè)化操作的設(shè)備，設(shè)計(jì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)最大程度地考慮到了工作人員的實(shí)際需求，因此在程序的編譯過程中使用了大量的梯形，這種語言可更加簡(jiǎn)單地讓操作人員了解使用規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，按照說明書使用即可。4）PLC的軟件可以減少控制柜中的安裝接線。使用戶可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行調(diào)試，最終將符合要求的設(shè)備投入到生產(chǎn)線操作中。在使用過程中，如果發(fā)現(xiàn)PLC的故障燈亮起，則可以根據(jù)編程器的相關(guān)信息排查故障并予以解決，防止出現(xiàn)更嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

3 機(jī)械手系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)情況

3.1 機(jī)械手系統(tǒng)的組成

目前，大家生活的空間是三維空間，在對(duì)物體位置進(jìn)行明確時(shí)，可以將三個(gè)目標(biāo)和方向作為依據(jù)，因此，只要對(duì)所需搬運(yùn)物體的位置坐標(biāo)和方向加以明確，即可對(duì)物體位置予以明確。機(jī)械手作為一種代替人手的設(shè)備，在完成動(dòng)作時(shí)，需要自由度，而制造成本也與自由度存在密切的關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)而言之，就是自由度越高，制造成本越高。本文所研究的機(jī)械手控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：1）夾緊機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)屬于機(jī)械手的抓取結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)所采用的機(jī)械手為二指機(jī)械式手爪，其開閉由PLC控制電磁閥實(shí)現(xiàn)。2）軀干。軀干的主要組成部分為手臂和底盤。其中，前者具有連接和承載手爪運(yùn)動(dòng)的作用。其由PLC控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)。后者的作用為承載重物和帶動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，其組成部分為直流電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼。在常規(guī)工作狀態(tài)下，底盤會(huì)在直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并推動(dòng)編碼盤運(yùn)動(dòng)。

3.2 設(shè)計(jì)情況

機(jī)械手現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)床之中，可以很好地完成噴漆、點(diǎn)漆等工作，在此過程中完全是按照系統(tǒng)設(shè)定進(jìn)行，即使外部條件會(huì)影響機(jī)械手的運(yùn)行，也并不會(huì)影響機(jī)械手本身制造的零件質(zhì)量。

3.2.1 機(jī)械手在智能技術(shù)中的應(yīng)用

我國(guó)的機(jī)械手在加工行業(yè)使用較多，尤其是熱加工行業(yè)，由于其使用的零件較多，因此在傳統(tǒng)的方式中極易出現(xiàn)問題。機(jī)械手則可以盡可能地規(guī)避相關(guān)問題，保證穩(wěn)定性。智能制造在生產(chǎn)場(chǎng)景中需要機(jī)械手的配合才能夠完成，是一種基于生產(chǎn)步驟的云化處理模式。與傳統(tǒng)方式的應(yīng)用相比，這種技術(shù)可以將機(jī)械手與終端進(jìn)行連接，利用平臺(tái)的計(jì)算能力分析大數(shù)據(jù)，以此管理和控制生產(chǎn)過程。作為云技術(shù)機(jī)器人的代表，機(jī)械手可以長(zhǎng)時(shí)間地儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，滿足自由移動(dòng)的要求?，F(xiàn)階段，該技術(shù)的應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)的支持下就可以達(dá)到要求，在5G網(wǎng)絡(luò)的幫助下，可以大大縮減信息傳遞的延遲時(shí)間，局部有接近100%的可靠性，應(yīng)對(duì)機(jī)械手在發(fā)展過程中的需要[4]。

3.2.2 提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能

機(jī)械手的工作性能直接決定其在工業(yè)中的應(yīng)用質(zhì)量。在機(jī)械手的發(fā)展過程中，可以利用精準(zhǔn)定位以及工作效率，提升機(jī)械手的運(yùn)行質(zhì)量，更好地輔助人們完成生產(chǎn)方面的日常工作[5]。

3.2.3 發(fā)展組合式機(jī)械手

對(duì)于機(jī)械手來講，如今的可編程序機(jī)械手在PLC的幫助下可以適應(yīng)多種環(huán)境，更好地幫助批量工業(yè)生產(chǎn)，但是這種機(jī)械手在使用方面的成本較高。為了能夠更好地為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，組合式機(jī)械手誕生了，該機(jī)械手可以使用通用部件，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行工作?？偠灾瑱C(jī)械手與PLC的結(jié)合，可以簡(jiǎn)化操作運(yùn)行的結(jié)構(gòu)，在保證通用性的同時(shí)，真正做到專業(yè)化生產(chǎn)。

3.2.4 研制智能化機(jī)械手機(jī)器人

對(duì)于行業(yè)發(fā)展來講，需要不斷完善與發(fā)展才能夠適應(yīng)生產(chǎn)需要。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制不能有效監(jiān)督整個(gè)生產(chǎn)流程，而在機(jī)械手智能技術(shù)的作用下，則可以系統(tǒng)控制設(shè)備，加以識(shí)別技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的無人化操作，進(jìn)一步降低人力成本。這種技術(shù)上的升級(jí)可以幫助工業(yè)工程拓展更多的可能性，進(jìn)一步提升生產(chǎn)過程中的精確程度。從我國(guó)現(xiàn)階段智能化機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用情況來看，其已經(jīng)逐漸走入工業(yè)工程行業(yè)的視野中，并有效地提升了電子工程的工作質(zhì)量以及工作效率。對(duì)于這種機(jī)械手無人化控制的重點(diǎn)就是要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：響應(yīng)時(shí)間、下降時(shí)間以及壟斷性變化，這三種因素中的任何一種因素都會(huì)對(duì)自動(dòng)化控制產(chǎn)生影響，因此要在技術(shù)研發(fā)過程中不斷對(duì)以上三個(gè)因素進(jìn)行檢測(cè)以及實(shí)踐測(cè)試，幫助企業(yè)進(jìn)行技術(shù)更新和有效控制。此外，在對(duì)工業(yè)工程的生產(chǎn)進(jìn)行控制時(shí)，還要充分發(fā)揮智能技術(shù)的自我修復(fù)作用，降低無人化操作造成的一系列影響，在未來通過對(duì)智能化技術(shù)的不斷完善與發(fā)展一定會(huì)攻克更多的技術(shù)難關(guān)，不斷提升技術(shù)質(zhì)量[6]。

4 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)，應(yīng)具備多種控制方式，主要包括手動(dòng)和自動(dòng)控制，且工作狀態(tài)需要在操縱面板上被反映出來。系統(tǒng)的控制面板如圖1所示。在調(diào)整機(jī)械手控制方式時(shí)，需要利用旋鈕開關(guān)，在將控制開關(guān)選擇為手動(dòng)控制模式時(shí)，機(jī)械手每一步工作都需要在按下對(duì)應(yīng)按鈕后方可實(shí)現(xiàn)[7-8]。在控制開關(guān)調(diào)整為自動(dòng)后，機(jī)械手會(huì)重復(fù)動(dòng)作，將其撥回到原點(diǎn)后，機(jī)械手便可以自動(dòng)回到原位。

圖1 機(jī)械手控制面板

本文所研究的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其PLC梯形圖中的編程元件采用了FXIN-60NR系列的PLC，其內(nèi)部元件如下所述：

1）輸入繼電器（X），點(diǎn)數(shù)36；數(shù)據(jù)寄存器，用途：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2）輸入繼電器（Y），點(diǎn)數(shù)2；特殊繼電器M8000，用途：運(yùn)行監(jiān)控。

3）輸入繼電器（M），點(diǎn)數(shù)284；特殊繼電器M8002，用途：初始化脈沖。

4）輸入繼電器（S），點(diǎn)數(shù)1 000；特殊繼電器M8005，用途：電池異常報(bào)警。

5）定時(shí)器（T），點(diǎn)數(shù)256；特殊繼電器M8011，用途：10 ms時(shí)鐘脈沖。

6）計(jì)數(shù)器（C），用途：計(jì)數(shù)；特殊繼電器M8012，用途：1 s時(shí)鐘脈沖。

7）特殊繼電器M8013，用途：100 ms時(shí)鐘脈沖；特殊繼電器M8014，用途：60 ms時(shí)鐘脈沖。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本文所研究的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其軟件組成部分主要包括公用程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序以及回歸程序等。其中，自動(dòng)程序能夠?qū)⒕哂型还ぷ黜樞虻膯尾竭\(yùn)動(dòng)程序和連續(xù)運(yùn)動(dòng)程序予以整合。其中，條件跳轉(zhuǎn)指令CJ是該系統(tǒng)應(yīng)用最為頻繁的指令，究其原因，主要是這個(gè)指令在接收到要求后，可以完成程序的跳轉(zhuǎn)。并從指針標(biāo)號(hào)PX處，對(duì)下一條程序予以執(zhí)行，通過這種方式，程序執(zhí)行時(shí)間被進(jìn)一步縮減。在PLC的工作方式變?yōu)槭謩?dòng)時(shí)，在完成公用程序執(zhí)行后，其會(huì)啟動(dòng)跳轉(zhuǎn)指令，并在此基礎(chǔ)上，執(zhí)行手動(dòng)程序[9]。在PLC執(zhí)行方式變?yōu)樽詣?dòng)時(shí)，PLC所執(zhí)行程序僅包括公用程序和自動(dòng)程序。同理，在PLC對(duì)回原位工作方式進(jìn)行執(zhí)行時(shí)，公用和回原位程序，會(huì)成為其執(zhí)行的程序。

4.3 PLC程序的上載和下載

4.3.1 上載

向計(jì)算機(jī)上傳編輯完成的PLC程序，就是所謂的程序上載，其目的在于滿足機(jī)械手控制系統(tǒng)的運(yùn)行要求。具體操作如下：1）使計(jì)算機(jī)PLC通信線和通信電纜相連接；2）使用計(jì)算機(jī)設(shè)置PLC通信端口；3）使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊PLC菜單下的傳送，然后點(diǎn)擊讀入，在彈出對(duì)話框后，選擇所用PLC型號(hào)，在點(diǎn)擊確定后，即可向計(jì)算機(jī)內(nèi)上傳編輯后的程序[10]。

4.3.2 下載

將編寫完成的控制程序下載寫入到PLC之中，為機(jī)械手控制系統(tǒng)運(yùn)行提供支持，就是程序下載的主要目的。其前兩個(gè)步驟與上載的兩個(gè)步驟相同，步驟3如下：將PLC控制面板撥向STOP，如果使用存儲(chǔ)裝置，需要將其寫入保護(hù)關(guān)斷。在對(duì)PLC菜單下的傳送進(jìn)行點(diǎn)擊后，繼續(xù)點(diǎn)擊寫入，然后在彈出的對(duì)話框中選擇范圍設(shè)置，通過這種方式，PLC的寫入時(shí)間被縮短。

5 結(jié)論

綜上所述，機(jī)械手的發(fā)展與控制非常重要，機(jī)械手臂控制更是一項(xiàng)能夠全方位進(jìn)行特定操作的重要關(guān)鍵，而PLC控制系統(tǒng)具有安全性高、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以使整個(gè)機(jī)械臂的操作更加符合實(shí)際需要，加上軟件編程的輔助，可以很好地優(yōu)化機(jī)械手動(dòng)的自我控制，減少人力資源的浪費(fèi)。