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

摘要：為了提高機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中定位的精度，介紹一種基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。方案中提出了步進(jìn)電機(jī)在機(jī)械手定位應(yīng)用中的一種新思路，詳細(xì)論述三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件實(shí)現(xiàn)方法，并建立M("GS組態(tài)環(huán)境界面對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，定位精確，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：PLC；三自由度；機(jī)械手；步進(jìn)電機(jī)；MCGS組態(tài)環(huán)境

0 引 言
    機(jī)械手是一種能模擬人的手臂動(dòng)作，按照設(shè)定程序、軌跡和要求，代替人手進(jìn)行抓取、搬運(yùn)工件或操持工具的機(jī)電一體化自動(dòng)裝置。三自由度機(jī)械手又稱3D機(jī)械人，能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度方向(水平、垂直和旋轉(zhuǎn))的抓取或放置物品，具有操作范圍大，靈活性好，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。
    可編程控制器(PLC)是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高，功能強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，人機(jī)交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。
    步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)執(zhí)行元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)目。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無(wú)累計(jì)誤差的特點(diǎn)，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。
    機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式機(jī)械手。本文設(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械手屬于混合式機(jī)械手，它綜合了電動(dòng)式和氣動(dòng)式機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)，既節(jié)省了行程開(kāi)關(guān)和PLC的I／O端口，又達(dá)到了簡(jiǎn)便操作和精確定位的目的。

1 三自由度機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方式
    三自由度機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型。圖1為機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)械手手臂的左右運(yùn)動(dòng)(水平方向)由伸縮步進(jìn)電機(jī)控制，上下運(yùn)動(dòng)(垂直方向)由升降步進(jìn)電機(jī)控制，逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由底盤直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。機(jī)械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其夾緊與松開(kāi)用氣壓驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制。
    機(jī)械手可以根據(jù)設(shè)定程序的動(dòng)作將工件從A處搬運(yùn)到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開(kāi)關(guān)，SQ3，SQ4為原點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的光接近開(kāi)關(guān)。

2 三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    三自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)置了手動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。自動(dòng)方式又分為自動(dòng)回原點(diǎn)、單步、單周期、連續(xù)四種工作方式。

2．1 硬件設(shè)計(jì)
    主控制系統(tǒng)選用三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用SH-20403型模塊。機(jī)械手的外部接線圖如圖2所示。

    機(jī)械手在最上面、最右邊，底盤轉(zhuǎn)至光接近開(kāi)關(guān)X3處且?jiàn)A緊裝置松開(kāi)時(shí)稱系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。X10為手動(dòng)控制按鈕，按下該按鈕后，可以進(jìn)行按鍵開(kāi)關(guān)X20～X27對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作。X11～X15分別為自動(dòng)方式中的回原點(diǎn)、單步、單周期和連續(xù)工作方式按鈕，按下其中的某一個(gè)按鈕，再按起動(dòng)按鈕X0，該工作方式的動(dòng)作就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行。步進(jìn)電機(jī)只有在有脈沖信號(hào)(Y0)和方向信號(hào)(Y2或Y3)輸入時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，Y6，Y7選擇將脈沖信號(hào)Y0送至哪個(gè)步進(jìn)電機(jī)。Y5控制送氣電磁閥，實(shí)現(xiàn)夾緊裝置的夾緊與松開(kāi)。Y10，Y11控制底盤直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    在選擇單步、單周期和連續(xù)工作方式前，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。如果不滿足這一條件，可以選擇回原點(diǎn)工作方式，該工作方式依次執(zhí)行以下操作：向上運(yùn)動(dòng)至上限位x1→向右運(yùn)動(dòng)至右限位X2→順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至光接近開(kāi)關(guān)X3→夾緊裝置松開(kāi)。
    機(jī)械手自動(dòng)工作方式的順序功能圖如圖3所示。機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)速度由輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率控制，機(jī)械手下降及左行的距離由脈沖數(shù)控制，脈沖頻率和脈沖數(shù)可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況在程序中設(shè)定，具有可重復(fù)操作性。

    本系統(tǒng)采用的是PLC梯形圖順序編程的方法。其中以PLSY脈沖輸出指令輸出脈沖，用MOV指令設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)，指定脈沖輸出完后，指令執(zhí)行完成標(biāo)志M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系統(tǒng)中兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)均需要脈沖輸入，設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)外部繼電器解決了該問(wèn)題。將Y0輸出的脈沖同時(shí)接至兩個(gè)繼電器動(dòng)觸點(diǎn)，兩繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)分別與兩塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端相連，Y6，Y7接到兩繼電器的控制端，這樣就可以通過(guò)Y6，Y7來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入。

3 系統(tǒng)的MCGS組態(tài)環(huán)境
    MCGS是為工業(yè)過(guò)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域服務(wù)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件，具有功能完善，操作簡(jiǎn)便，可視性好，可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。圖4為三自由度機(jī)械手系統(tǒng)工作時(shí)的MCGS組態(tài)環(huán)境界面，它包括主界面、手動(dòng)工作方式界面和自動(dòng)工作方式界面。

4 結(jié) 語(yǔ)
    經(jīng)調(diào)試，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)抖動(dòng)和失步現(xiàn)象發(fā)生，機(jī)械手系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。三自由度機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的只是三個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，可以對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)，在夾緊裝置肘部添加腕回轉(zhuǎn)控制裝置，就能使之成為四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)。在條件允許的情況下，也可以采用觸摸屏代替MCGS組態(tài)環(huán)境對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行控制，這樣占用空間小，人機(jī)交互界面直觀，操作更方便。