張凱　方立雯

摘 要：傳統(tǒng)的機(jī)械手控制系統(tǒng)在機(jī)器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候存在抖動(dòng)幅度大和失步的問(wèn)題，為此，提出了一種基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得出了硬件的框圖；然后對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：PLC；三自由度；機(jī)械手控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.126

0 引言

在工廠中，機(jī)械手的工作相當(dāng)于人的手臂一樣，可以按照特定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抓取、搬運(yùn)等工作[1-2]。三自由度的機(jī)械手操作系統(tǒng)又被稱(chēng)作3D的機(jī)械人，可以模擬人手臂的運(yùn)動(dòng)行為[3-4]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的機(jī)械手控制系統(tǒng)在機(jī)器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候存在抖動(dòng)幅度大和失步的問(wèn)題，不能滿(mǎn)足工廠的需求。為此，我提出了一種基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得出了硬件的框圖；然后對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有運(yùn)行穩(wěn)定和定位精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)未來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)具有促進(jìn)的作用。

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

基于PLC的三自由度機(jī)械手的手臂進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)的時(shí)候是由伸縮的步進(jìn)電機(jī)控制，進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候是由升降的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制，而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候是由機(jī)械底部的直流電機(jī)工作運(yùn)行時(shí)候的正反旋轉(zhuǎn)來(lái)控制。而三自由度機(jī)械手進(jìn)行夾緊工作的時(shí)候采用的是關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)裝置，進(jìn)行松開(kāi)工作的時(shí)候是由電磁閥的氣壓驅(qū)動(dòng)來(lái)控制。

該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要控制系統(tǒng)采用的是SH-2040型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和FX2N這一系列的三菱晶體管輸出，這種機(jī)械手能夠在不同的方向上進(jìn)行抓取的運(yùn)動(dòng)，主要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由垂直、水平、手爪和旋轉(zhuǎn)組成的，并且每一個(gè)組成的系統(tǒng)都是由2個(gè)直流的電機(jī)進(jìn)行發(fā)電和4個(gè)行程的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，進(jìn)行垂直的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成一些的動(dòng)作。

機(jī)械手進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，主要由電機(jī)、計(jì)數(shù)行程和限位行程的開(kāi)關(guān)組成的。使用9V的電壓和直流的電機(jī)進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)提供抓力。計(jì)數(shù)行程的開(kāi)關(guān)是用來(lái)對(duì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的計(jì)量。使用9V的電壓進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，其限位行程的開(kāi)關(guān)就會(huì)控制機(jī)械手的行為，不能超過(guò)極限的范圍；當(dāng)機(jī)械的手臂向上方進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，如若超過(guò)了上方極限的位置，那么運(yùn)動(dòng)的行為就會(huì)停止。具體的硬件設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。

進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)的時(shí)候?qū)⒃撨^(guò)程分為兩個(gè)階段，分別是復(fù)位的階段和定位的階段。復(fù)位階段指的是機(jī)械手通過(guò)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，整個(gè)手臂呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，直到手臂碰到限位形成的整個(gè)開(kāi)關(guān)即可結(jié)束運(yùn)動(dòng)；定位階段指的是機(jī)械手通過(guò)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，手臂從最初的位置進(jìn)行下降的運(yùn)動(dòng)行為，并由技術(shù)開(kāi)關(guān)來(lái)計(jì)量手臂到達(dá)的位置，到達(dá)指定的位置后行為結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理的有效性，進(jìn)行了如下的實(shí)驗(yàn)。控制電機(jī)的電壓為9V，輸出的電壓為24V，將3個(gè)繼電器的接地端與電壓為9V的設(shè)置連接在一起，這樣就能使3個(gè)繼電器中原本的端子被化解為1個(gè)；然后分別將電機(jī)中的2個(gè)輸入端連接在不同的繼電器之中；最后將中間的繼電器與24V電壓的裝置進(jìn)行連接，使程序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行自主的正反轉(zhuǎn)控制。對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械手控制系統(tǒng)與基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，如圖2所示。

由圖2可以看出，在相同的時(shí)間范圍內(nèi)，基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)明顯高于傳統(tǒng)的機(jī)械手控制系統(tǒng)。

由此可得出結(jié)論：基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)物體的自動(dòng)循環(huán)，并且具有強(qiáng)大的靈活性和準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠改變以往的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使工作更加的靈活快捷。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改善了原有步進(jìn)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的抖動(dòng)和失步的情況，只是利用三個(gè)自由的方向就能使系統(tǒng)處于良好的狀態(tài)。根據(jù)工廠中實(shí)際工作的需求，將進(jìn)一步完善夾緊裝置，在彎曲的位置添加一個(gè)回轉(zhuǎn)的控制器。在條件允許的情況下，采用觸屏的方式代替手動(dòng)的操作，這樣可以減小占用的空間。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不但使人機(jī)交互的界面變得更加的直觀，操作起來(lái)也非常的方便。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張凱（1988-），男，助教，主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化方向研究。endprint