基于PLC的机械手控制系统的设计与制作

基于PLC的机械手控制系统的设计与制作

宋海川，赵伟宇，张亚男，李连杰

河北南玻玻璃有限公司  065000

摘要：伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

关键词：机械手；可编程控制器；操作系统；三菱

引言：工业机械手是目前自动化控制领域中出现的一项新技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。

1.机械手PLC控制系统总体设计

1.1机械手的设计方法

机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。

对环境的适应性强能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。

1.2机械手的臂部设计

工业机器人臂部设计的基本要求：

刚度高：为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。

导向性好：为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形，花键等形式的臂杆。

重量轻：为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。

运动平稳定位精度高：除了臂部设计上要求力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。常用的臂部结构有：

手部直线运动机构：机器人手臂的伸缩，横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸，齿轮齿条机构，丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞（气）缸的体积小，重量轻，因而在机器人结构中应用的比较多。

手臂回转运动机：实现机器人手臂回转运动的机构形式是多样的，常用的有叶片式回转缸，齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞缸和连杆机构等。

2.系统硬件设计与调试

2.1机械手工作流程

机械手的工作过程。第一步从原点开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手开始下降；下降到位时，下限行程开关打开，下降电磁阀断电，机械手停止下降。第二步同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。第三步夹紧后，上升电磁阀通电，机械手开始上升。上升到位时，上限行程开关打开，上升电磁阀断电，机械手停止上升。第四步同时接通右移电磁阀，机械手开始右移。右移到位时，右限行程开关打开，右移电磁阀断电，机械手停止右移。第五步同时下降电磁阀通电，机械手开始下降，下降到位时，下限行程开关打开，下降电磁阀断电，机械手停止下降。第六步同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。第七步放松后，上升电磁阀通电，机械手开始上升。上升到位时，上限行程开关打开，上升电磁阀断电，机械手停止上升。第八步同时接通左移电磁阀，机械手开始左移。左移到位时，左限行程开关打开，左移电磁阀断电，机械手停止左移。至此，机械手经过八步完成了一个循环的动作。

2.2制作和调试

因为PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，所以我们一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但是这次是设计机械手控制系统，要验证控制系统的正确与否。作为主要验证平台本设计的制作和调试就显得非常重要了。

将控制器的状态开关拨到RUN位置，此时运行指示灯RUNLED亮。按下启动按钮，①将机械手运行模式选为自动，观察机械手是否自动循环完成整个工作流程。将机械手按下一次循环按钮，观察机械手是否只完成一个工作流程。②将机械手运行模式选为手动单步，按下具体动作指令按钮，观察机械手是否完成相应动作。③将机械手运行模式选为回原点，观察机械手是否只完成回原点动作。

调试中如果发现有没有动作或有故障时，应先检测硬件功能是否正常，再修改程序。如果整个调试中机械手完成所有动作，则调试结束。

结论：此设计控制系统主要由回原点程序，手动单步程序和自动运行程序组成。程序使用GX-Developer软件编译后通过PC下载到PLC。机械手在实地情况下运行结果如下：

机械手在回原点模式下能够自动回到原点位置后停止。

在手动单步程序模式下，机械手能够按照操作员给定动作指令完成相应动作。

在自动运行程序模式下，机械手能够自动按照工作流程循环运行（不需要给定任何具体指令）。按下一次循环按钮，机械手就只循环一次。

参考文献：

[1]刘军，刘广瑞.基于PLC控制的气动机械手[J].信息化纵横,2019,28(9)：32-39.

[2]王阿根.电气可编程控制原理与应用[M].清华大学出版社，2017，4.

[3]陈志权.基于PLC气动机械手的控制系统[J].自动测量与控制，2018,(4)：83.