基于PLC的多自由度智能移動機(jī)械手教學(xué)設(shè)備的設(shè)計與制作

摘要：基于可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）控制的多自由度智能移動機(jī)械手教學(xué)設(shè)備通過創(chuàng)新設(shè)計與實際制作，為教學(xué)應(yīng)用提供了一種高效的實踐工具。該教學(xué)設(shè)備在工業(yè)自動化教育中具有重要意義，不僅提升了學(xué)生的實踐能力，也為智能制造技術(shù)的人才培養(yǎng)提供了有力支持。進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的方向包括提升機(jī)械手的精度和響應(yīng)速度、增加更多的教學(xué)功能模塊，以期在未來的教學(xué)實踐中發(fā)揮更大作用。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器機(jī)械手多自由度智能移動

Designandmanufactureofmulti-degreeoffreedomintelligentmobilemanipulatorteachingequipmentbasedonPLC

WUBowen

（GuangxiUrbanVocationalUniversity，Chongzuo，Guangxi532200，China）

Abstract：Multi-degreeoffreedomintelligentmobilemanipulatorteachingequipmentbasedonProgrammableLogicController（PLC）controlprovidesanefficientpracticaltoolforteachingapplicationsthroughinnovativedesignandpracticalproduction.Theteachingequipmentisofgreatsignificanceintheindustrialautomationeducation，whichnotonlyimprovesthepracticalabilityofstudents，butalsoprs5X32HmJoTIUoT9YncGAcg==ovidesstrongsupportforthetalenttrainingofintelligentmanufacturingtechnology.Thedirectionoffurtheroptimizationandimprovementincludesimprovingtheaccuracyandresponsespeedofthemanipulatorandaddingmoreteachingfunctionmodulesinordertoplayagreaterroleinthefutureteachingpractice.

.KeyWords：Programmablelogiccontroller;Mechanicalarm;Multipledegreesoffreedom;Intelligentmobility

在教學(xué)領(lǐng)域，多自由度機(jī)械手教學(xué)設(shè)備能夠幫助學(xué)生更好地理解機(jī)器人結(jié)構(gòu)特征、運動控制、自動化系統(tǒng)集成與編程等知識。然而，市面上的機(jī)械手教學(xué)設(shè)備成本較高，且功能較為單一。因此，本文設(shè)計一種基于PLC控制的多自由度智能移動機(jī)械手教學(xué)設(shè)備，其具有多功能、經(jīng)濟(jì)實用、易于編程等特點，對于培養(yǎng)機(jī)器人與自動化人才具有重要意義。首先，簡述了該設(shè)備的設(shè)計理念、整體結(jié)構(gòu)及其在教學(xué)中的應(yīng)用；然后，探討了PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，包括機(jī)械手的多自由度結(jié)構(gòu)、運動軌跡規(guī)劃、PLC與伺服系統(tǒng)的通信方式等；最后，總結(jié)了該教學(xué)設(shè)備在教學(xué)實驗中的應(yīng)用效果。

1教學(xué)設(shè)備的設(shè)計理念

本文所設(shè)計的機(jī)械手教學(xué)設(shè)備的設(shè)計理念圍繞為學(xué)生提供一個直觀、易于操作和編程的學(xué)習(xí)平臺展開，它旨在讓學(xué)生通過教學(xué)設(shè)備輕松地掌握機(jī)械手結(jié)構(gòu)與可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，并且深入了解多自由度機(jī)械手的運動學(xué)與動力學(xué)特性。在這個設(shè)計過程中，強(qiáng)調(diào)了幾個關(guān)鍵點。

1.1靈活性

靈活性是設(shè)計的重點之一。機(jī)械手機(jī)械設(shè)備具有多自由度和移動能力，這使得學(xué)生可以在操作中獲得豐富的體驗，這種靈活性可以讓他們更好地理解工程中使用的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特征、運動方式和工作原理，從而增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)興趣和動力。

1.2可編程性

采用PLC的控制系統(tǒng)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)并編寫各種各樣的控制程序，這種可編程性使得教學(xué)設(shè)備不僅是一個靜態(tài)的展示工具，而是一個允許學(xué)生動手實踐、創(chuàng)造性思維和問題解決的平臺。通過編寫自己的控制程序，學(xué)生可以深入理解控制系統(tǒng)的工作原理，提高他們的編程技能，并將理論知識應(yīng)用到實踐中[1]。

1.3實用性

該機(jī)械手教學(xué)設(shè)備不僅適用于課堂教學(xué)和實驗，而且能夠模擬工業(yè)應(yīng)用中的多種場景，這種實用性使得學(xué)生不只是學(xué)習(xí)理論知識，而是能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識直接應(yīng)用到實際工程中。通過模擬真實工業(yè)場景，學(xué)生可以更好地理解理論知識的實際應(yīng)用，培養(yǎng)他們的工程實踐能力和解決實際問題的能力。

2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該設(shè)備主要由機(jī)械手主體、移動平臺、PLC控制系統(tǒng)、通信模塊和操作面板組成。詳細(xì)的設(shè)計內(nèi)容如下。

2.1機(jī)械手主體

2.1.1核心部件

機(jī)械手主體作為整個設(shè)備的核心部件，承擔(dān)了載重和運動的主要功能。其結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能指標(biāo)直接決定了設(shè)備的使用范圍和工作效率。

2.1.2六個自由度

本文所設(shè)計的機(jī)械手機(jī)械設(shè)備主體具有六個自由度，這意味著它可以在6個方向上進(jìn)行獨立運動，包括3個軸的移動和3個軸的旋轉(zhuǎn)。這種多自由度的設(shè)計使得機(jī)械手可以在三維空間內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，如抓取、放置、裝配等。六個自由度的靈活性使得機(jī)械手可以適應(yīng)各種不同形狀和尺寸的工件，從而實現(xiàn)多樣化的生產(chǎn)需求。

2.1.3三軸移動

機(jī)械手主體的三軸移動主要指沿著X軸、Y軸和Z軸方向的運動，這3個軸的組合使得機(jī)械手可以在工作區(qū)域內(nèi)靈活地定位和移動，實現(xiàn)對工件的精確抓取和放置[2]。

2.1.4三軸旋轉(zhuǎn)

機(jī)械手主體的三軸旋轉(zhuǎn)主要指繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)功能使得機(jī)械手可以在抓取和放置過程中調(diào)整姿態(tài)，以適應(yīng)不同的工件形狀和工作環(huán)境。例如：在裝配任務(wù)中，機(jī)械手可以通過旋轉(zhuǎn)來對齊零件，確保裝配的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[3]。

2.1.5多樣化任務(wù)

機(jī)械手教學(xué)設(shè)備主體具有多個自由度和靈活的運動能力，可以模擬完成多樣化的任務(wù)，例如，它可以模擬用于裝配線上的零部件裝配、倉儲物料的搬運、生產(chǎn)線上的包裝和封裝等。在課題設(shè)計和應(yīng)用中，需要充分考慮其功能需求和技術(shù)指標(biāo)。

2.2移動平臺

2.2.1支撐基礎(chǔ)

移動平臺是機(jī)械手主體的支撐基礎(chǔ)，它承擔(dān)著將機(jī)械手主體固定并提供穩(wěn)定支撐的功能。移動平臺的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響到整個系統(tǒng)的運動精度和穩(wěn)定性。

2.2.2XY平面內(nèi)移動能力

文本中提到移動平臺具備在XY平面內(nèi)移動的能力，這意味著它可以在水平方向上自由移動，這種移動能力使得機(jī)械手教學(xué)設(shè)備可以在實驗區(qū)域內(nèi)靈活d1e2316993636f8e0e2f549518ef3061b511584d6a665b7a5308e639ad115831地定位和移動，為機(jī)械手設(shè)備教學(xué)的操作和任務(wù)執(zhí)行提供了必要的空間和條件。

2.2.3定位功能

移動平臺的移動能力使得機(jī)械手可以在實驗區(qū)域內(nèi)進(jìn)行定位，以準(zhǔn)確抓取和放置工件。通過精準(zhǔn)的定位功能，機(jī)械手可以實現(xiàn)對工件位置的精確控制，確保操作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.3通信模塊總體設(shè)計

（1）硬件設(shè)計。核心處理單元：選擇STM32或其他性能可靠的微控制器作為通信模塊的核心，以確保足夠的處理能力。通信接口：設(shè)計RS232、RS485、控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）、以太網(wǎng)等接口，用于與PLC、傳感器和其他外部設(shè)備通信。電源管理：提供穩(wěn)壓電路和過流保護(hù)，確保模塊在實驗環(huán)境下的穩(wěn)定供電。

（2）軟件設(shè)計。底層驅(qū)動：為各類通信接口選用驅(qū)動程序，包括串口、以太網(wǎng)、CAN等，確保硬件功能的充分利用。通信協(xié)議棧：確保模塊具備多協(xié)議適配能力。任務(wù)調(diào)度：采用實時操作系統(tǒng)（Real-TimeOperatingSystem，RTOS）或事件驅(qū)動的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，保證數(shù)據(jù)采集和通信的實時性。數(shù)據(jù)緩存與處理：設(shè)計數(shù)據(jù)緩存機(jī)制，以避免數(shù)據(jù)丟失或混亂，同時進(jìn)行預(yù)處理降低計算負(fù)擔(dān)。

2.4操作面板設(shè)計

2.4.1用戶界面

操作面板作為設(shè)備的用戶界面，承擔(dān)著用戶與設(shè)備之間交互的任務(wù)。其設(shè)計選型應(yīng)該簡潔明了，操作界面友好，以確保學(xué)生能夠輕松地理解和使用操作面板。

2.4.2功能設(shè)計

操作面板通常提供設(shè)備的啟動、停止、暫停等基本控制功能，還應(yīng)該包括參數(shù)設(shè)置、模式切換、故障診斷等高級功能，以滿足不同操作場景下的需求。對于多自由度智能移動機(jī)械手機(jī)械設(shè)備而言，操作面板可能還需要提供路徑規(guī)劃、姿態(tài)調(diào)整等更為復(fù)雜的功能。

2.4.3人機(jī)交互

操作面板的設(shè)計應(yīng)該注重人機(jī)交互的體驗，包括按鈕設(shè)計、界面布局、文字提示等方面。通過合理的設(shè)計，可以降低學(xué)生的學(xué)習(xí)成本，提高操作效率，減少操作錯誤的發(fā)生。操作面板不僅需要提供控制功能，還需要提供設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控功能，包括顯示設(shè)備的實時運行狀態(tài)、報警信息、故障診斷結(jié)果等，幫助學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

3.1.1主控制器

本文所述機(jī)械手教學(xué)設(shè)備選擇西門子S7-1200系列PLC作為核心控制器。該系列PLC具備豐富的I/O接口和通信模塊，支持?jǐn)U展模塊連接，可以靈活適應(yīng)不同的硬件配置需求。

S7-1200系列PLC具有以下優(yōu)勢。高性能：搭載現(xiàn)代化處理器，執(zhí)行速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。豐富的通信接口：支持PROFINET、RS485、RS232、Ethernet等接口，實現(xiàn)與外圍設(shè)備的高效通信。模塊化設(shè)計：支持多種擴(kuò)展模塊，可根據(jù)實際需要靈活配置I/O接口、通信模塊等[4]。

3.1.2伺服電機(jī)與驅(qū)動器

機(jī)械手和移動平臺的各個軸均采用伺服電機(jī)與驅(qū)動器，以實現(xiàn)高精度的運動控制。選擇與機(jī)械手結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的伺服電機(jī)，以保證高扭矩輸出及穩(wěn)定的動態(tài)性能；搭配與伺服電機(jī)型號相匹配的驅(qū)動器，支持多種控制模式，包括位置、速度和扭矩控制，以確?？刂凭取?/p>

3.1.3通信模塊

為了實現(xiàn)各組件之間的通信，PLC系統(tǒng)配備了以下通信模塊。RS485通信模塊：用于PLC與伺服電機(jī)驅(qū)動器之間的通信。Ethernet通信模塊：通過以太網(wǎng)接口與人機(jī)界面（HumanMachineInterface，HMI）通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換與實時監(jiān)控。

3.2軟件設(shè)計

3.2.1運動軌跡規(guī)劃

機(jī)械手機(jī)械設(shè)備的運動軌跡規(guī)劃包括正向運動學(xué)和逆向運動學(xué)計算。在逆向運動學(xué)中，采用D-H參數(shù)法建立機(jī)械手的坐標(biāo)系，確定各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度及順序。具體規(guī)劃過程如下。首先，為各關(guān)節(jié)和終端執(zhí)行器建立坐標(biāo)系，以D-H參數(shù)法描述各關(guān)節(jié)的位置與姿態(tài)關(guān)系。隨后，根據(jù)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與各關(guān)節(jié)的安裝位置，計算并列出D-H參數(shù)。最后，根據(jù)終端執(zhí)行器的位置與姿態(tài)，通過D-H參數(shù)法，計算各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。

3.2.2PLC程序開發(fā)

PLC程序主要負(fù)責(zé)機(jī)械手與移動平臺的控制與通信。程序設(shè)計模塊如下。位置與姿態(tài)控制模塊：根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡與目標(biāo)點計算各關(guān)節(jié)角度，PLC發(fā)出控制指令。速度控制模塊：確保伺服電機(jī)在加速和減速過程中保持平穩(wěn)，防止過沖和振動，控制移動平臺的運動軌跡，保證平臺在移動過程中與機(jī)械手的同步。通信模塊：負(fù)責(zé)PLC與伺服驅(qū)動器及HMI之間的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與狀態(tài)監(jiān)控。

程序模塊功能體現(xiàn)在以下幾方面。（1）初始化模塊：在系統(tǒng)啟動時，對PLC系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括設(shè)定初始狀態(tài)、讀取初始參數(shù)等。（2）姿態(tài)與位置控制模塊：根據(jù)終端執(zhí)行器的目標(biāo)姿態(tài)與位置，計算各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，并將控制指令傳遞給伺服驅(qū)動器。（3）軌跡規(guī)劃與速度控制模塊：根據(jù)軌跡規(guī)劃結(jié)果，計算每個關(guān)節(jié)的速度和加速度，確保伺服電機(jī)平穩(wěn)運行。（4）移動平臺控制模塊：根據(jù)預(yù)定軌跡控制移動平臺的移動，確保機(jī)械手的有效操作范圍。（5）人機(jī)界面通信模塊：負(fù)責(zé)PLC與HMI之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)實時監(jiān)控與狀態(tài)顯示。

3.3通信方式

PLC控制系統(tǒng)與伺服電機(jī)驅(qū)動器、HMI及其他設(shè)備通過以下方式進(jìn)行通信。

3.3.1RS485通信

用于PLC與各伺服電機(jī)驅(qū)動器之間的通信。RS485接口的主要特點是抗干擾能力強(qiáng)、通信距離長，適用于多臺設(shè)備之間的互聯(lián)。通過RS485總線，PLC可以實現(xiàn)對各軸伺服電機(jī)的獨立控制。

3.3.2Ethernet通信

用于PLC與HMI之間的通信。Ethernet接口提供高帶寬和穩(wěn)定的通信方式，確保實時數(shù)據(jù)交換和狀態(tài)監(jiān)控。通過HMI，用戶可以查看機(jī)械手與移動平臺的實時狀態(tài)，調(diào)整軌跡規(guī)劃參數(shù)，并通過HMI直接控制設(shè)備[5]。

3.3.3I/O接口

用于連接限位開關(guān)、光電傳感器等外圍設(shè)備，實現(xiàn)硬件信號交互。限位開關(guān)可用于檢測機(jī)械手的極限位置，防止越限運行。光電傳感器可用于檢測機(jī)械手或移動平臺上的工件，作為軌跡規(guī)劃的參考信號。

4．教學(xué)應(yīng)用與實驗案例分析

4.1教學(xué)應(yīng)用

4.1.1電氣控制與PLC

在“電氣控制與可編程邏輯控制器”這門課程中，學(xué)生通過編寫PLC程序?qū)W會如何利用PLC來控制機(jī)械手的運動。機(jī)械手的精密運動依賴于PLC的準(zhǔn)確控制，因此，該課程中的實驗使學(xué)生能夠全面掌握PLC編程與控制機(jī)械手的方法，并培養(yǎng)學(xué)生對自動化系統(tǒng)的綜合控制能力。通過實踐，學(xué)生可以加深對PLC基本原理的理解，進(jìn)而掌握編寫邏輯控制程序的技巧，包括輸入輸出配置、定時器、計數(shù)器的使用，以及復(fù)雜順序邏輯的實現(xiàn)。

4.1.2機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)

“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程重點內(nèi)容部分講授機(jī)器人結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)與軌跡規(guī)劃的理論知識。學(xué)生通過研究機(jī)械手機(jī)械設(shè)備的正向與逆向運動學(xué)計算方法，通過教學(xué)設(shè)備實踐教學(xué)，將學(xué)習(xí)如何實現(xiàn)多自由度機(jī)械手的精確運動控制。通過實驗，學(xué)生可以深入了解機(jī)械手的運動規(guī)律，掌握各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度、位置和速度的計算方法。同時，軌跡規(guī)劃實驗?zāi)茏寣W(xué)生親自設(shè)計機(jī)械手的運動軌跡，提升他們對復(fù)雜運動控制問題的解決能力。

4.1.3自動控制原理、工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場操作與編程

機(jī)械手教學(xué)設(shè)備要求學(xué)生將機(jī)械手與PLC、HMI等多個自動化設(shè)備組合起來，實現(xiàn)一個完整的自動化系統(tǒng)控制，是一個自動化系統(tǒng)集成。在實驗中，學(xué)生將機(jī)械手通過PLC控制，利用HMI作為監(jiān)控界面，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控與操作。該實驗可以幫助學(xué)生培養(yǎng)綜合設(shè)計自動化系統(tǒng)的能力，同時了解各個組件之間的交互與通信，從而學(xué)會設(shè)計、優(yōu)化和實現(xiàn)復(fù)雜的工業(yè)自動化項目，加深對于“自動控制原理”“工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場操作與編程”兩門課程的學(xué)習(xí)。

4.2實驗案例

實驗名稱：機(jī)械手物料抓取與搬運

實驗?zāi)康模赫莆諜C(jī)械手的運動學(xué)與逆向運動學(xué)計算方法；學(xué)習(xí)PLC程序編寫，控制機(jī)械手完成物料抓取與搬運

實驗設(shè)備：基于PLC的多自由度智能移動機(jī)械手教學(xué)設(shè)備

實驗步驟包括以下幾個方面。首先，規(guī)劃物料抓取與搬運的軌跡，明確機(jī)械手的初始位置、終止位置及途徑的關(guān)鍵點位置。根據(jù)各關(guān)節(jié)的自由度及其運動特性，計算出每個關(guān)鍵點處各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度和運動順序。其次，使用梯形圖編寫PLC程序，實現(xiàn)機(jī)械手的軌跡控制。該程序應(yīng)包括輸入輸出配置與定義、各關(guān)節(jié)的運動邏輯、軌跡控制策略（如初始位置復(fù)位、抓取動作及搬運軌跡）及定時器與計數(shù)器的應(yīng)用。再次，控制機(jī)械手按照設(shè)定軌跡抓取方形物料，并將其搬運到指定位置。此過程中，需特別注意抓取動作的準(zhǔn)確性，以及搬運過程中的平穩(wěn)性和速度控制[6]。最后，根據(jù)實驗要求，將機(jī)械手安裝在一個移動平臺上，通過調(diào)整移動平臺的位置，實現(xiàn)機(jī)械手跨區(qū)域的物料搬運能力。通過PLC程序與軌跡規(guī)劃的組合控制，學(xué)生能夠充分掌握移動平臺與機(jī)械手協(xié)同作業(yè)的原理。

實驗結(jié)果：機(jī)械手成功實現(xiàn)對物料的抓取與搬運，軌跡準(zhǔn)確，實驗效果理想。通過實驗，學(xué)生能夠掌握多自由度機(jī)械手的運動學(xué)與逆向運動學(xué)計算方法，以及PLC編程和自動化控制系統(tǒng)集成的技能。

5結(jié)語

本文所述教學(xué)設(shè)備在機(jī)器人技術(shù)專業(yè)、機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用較廣，除以上所述幾門課程外，還可以用于“數(shù)控技術(shù)”“伺服電機(jī)與驅(qū)動技術(shù)”“電機(jī)與拖動技術(shù)”“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”“機(jī)器人及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計”“先進(jìn)制造技術(shù)”等多門課程的教學(xué)，具有重大的推廣和應(yīng)用價值。

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