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摘要：随着社会进步和科学技术的发展，各行各业都在向着智能化、机械化方向发展，而工业机器人的控制涉及面非常大。工业机器人也被称为工业机械手。广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文首先对工业机器人控制方式及控制系统进行了分析。
关键词：工业机械手；PLC控制系统；设计
引言
工业机器人也被称为工业机械手。一般情况下，工业机械手有六个自由度。从功能上划分，将工业机械手分为控制器、操作机、传感系统以及末端执行器等 4 个重要部分。工业机器人运动学主要分析机器人的加速度、速度以及位置等变化的时间历程，主要应用于装备制造业中，同时其驱动系统可分为复合式驱动、电动驱动、启动驱动、液压驱动等。工业机械手是一种能够通过编程软件实现不同工艺过程，灵活度很高的机械设备。其结构是通过模仿工人搬运两条流水线之间货物的动作设计而成。性能优越的机械手控制系统将可提高机械手的作业效率。
1工业机械手的原理及方式
1.1工业机械手原理
机械手具有很多的优点，比如机械手比人的手具有更大的力气，能够干很多人手所无法干的事情，这样也能提高工业生产中的效率，同时采用机械手进行工业生产时的成本相对而言也会得到一定程度上的降低。机械手通常由三部分组成，即机械部分，传感部分和控制部分。其中，手部安装在手臂的前端，用来抓持物件，这是执行机构的主体，可根据被抓持物件的形状、重量、材料以及作业要求不同而具有多种结构形式。控制部分包括控制系统和人机交互系统。对于机器人基本部件的控制系统，控制系统的任务是控制机械手的实际运动方式。机械手的控制系统有开环和闭环两种控制方式，如果工业机械手没有信息反馈功能，那么它就是一个开环控制系统。如果有信息反馈功能，它是一个闭环控制系统。对于机器人基本组成的人机交互系统，人机交互系统是允许操作员参与机器人控制并与机器人通信的装置。总之，人机交互系统可以分为两类：指令给定装置和信息显示装置，机械手的控制主要是通过软件程序加以实现。随着科学技术的发展，机械手相关的技术也得到了快速的发展，先进的控制方式和先进的控制技术在机械手的控制领域中也具有一定的采用。现在机械手不仅广泛应用于采矿、化工、船舶等领域，并且在航天、医药、生化等领域占有重要地位。
12工业机械手的控制方式
工业机器人可根据控制方法分为以下几类，一类是点控制。点控制，也称为PTP控制，仅控制起点和终点的姿势，两点之间的轨迹没有规定。由点控制模式的工业机械手，运动是点到点之间的线性运动，并且仅在操作期间控制几个特定工作点的位置，点之间的运动过程不受控制。在具有点控制的工业机器人中，可控制的点数取决于控制系统的复杂性。该PTP点位置控制方法易于实现，但精度不高，并且通常用于装载、卸载和处理等，其仅需要精确的目标位置和控制方式等。第二种是连续轨迹控制，连续轨迹控制也称为CP控制。以连续轨迹模式控制的工业机械手可以具有任何连续的空间曲线，工业机械手在空间的整个运动的控制下，并且可以同时控制两个以上的运动轴。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆手的位置可以沿任何形状的空间曲线移动，并且手的姿势也可以通过腕关节的运动来控制，这对于焊接和喷涂操作非常有利。具有连续轨迹控制的工业机器人在当今的工业应用中更常见，例如，焊接机械手、喷涂机械手等。在实际生产中，许多系统需要有多种控制方法。系统的常用工作方式可分为手动，单步，单循环（半自动）和连续（自动）四种工作模式，后三种工作模式为自动工作模式。对于生产设备，上述各种工作方法不能同时操作，所以需要采取其他的程序设计模式进行机械手的控制程序设计，只有这样才能将机械手的各种控制方式通过程序语句进行实现，同时也能够在一定的程度下简化程序语句实现的难度，并降低程序设计的复杂性。对于后续机械手控制程序的维护方面，也可以相对而言降低程序的维护量，对于机械手的控制程序设计应加以考虑。
2PLC控制系统设计
2.1工业机械手控制系统总体设计
机械手具有结构简单、动作迅速、安全可靠、使用寿命长等显著特征，成为了现代工业领域的关键设备之一。工业机械手控制系统在气动工作环境下实现，具体是采用自动与手动相结合的控制方法实现相关活动控制。基于PLC控制器下实现对工业机械手控制系统设计，主要是采用上下升降加平面转动式结构，由气缸驱动机械手动作，利用相应的电磁阀来控制气缸，而采用PLC对磁阀进行控制。工业机械手控制系统通过特定的算法实现物理量的输入和输出，从而获得相关的控制信息，实现智能化控制的目标。在具体的动作中分析要求实现机械手的伸缩、回转、垂直、抓物与放物等基本功能，从而实现运动的控制。而核心流程完成时间是决定控制系统运行效率的关键。
2.2工业机械手控制系统硬件设计
1、PLC选型。选择采用三菱FX1N的PLC作为气动机械手控制系统的核心控制部分。三菱FX1N的PLC有丰富的特殊功能模块或功能扩展板，具体通过中央处理单元（CPU）、I/O接口电路、通信接口、存储器等基本组成部分实现基本功能。采用三菱FX1N的PLC，能够实现对工业机械手各部分的有效控制。2、I/O接线。在确定了PLC选型后，需要进行PLC控制系统的输入/输出点的配置。结合工业机械手的工作流程，配置22个输入点和11个输出点，具体I/O接线见图2所示。在控制系统中，开关量信号是输入信号，有限位开关，也有机械手运行状态的多种按键；输出也是开关量信号，主要有控制继电器的信号，以及报警、指示灯信号。
2.3工业机械手控制系统软件设计
结合工业机械手的工作流程，主要包括转动气缸左摆、水平气缸伸出、垂直气缸伸出、气爪吸持工件、垂直气缸退回、水平气缸退回、摆动缸摆回原位、水平气缸伸出、垂直气缸伸出、垂直气缸伸出、垂直气缸退回、水平气缸退回到原位等子环节流程。根据工业机械手的工作环境，在机械手工作时调节磁性限位开关的位置，实现对机械手的控制。在具体操作中，针对机械手的每一个动作设定一个手段控制的按钮，这样就可以通过手动控制按钮来进行方便的检测和控制，并在电磁阀上实现对应的功能。工业机械手的自动程序由控制单周期、连续、和单步的程序组成。主要是利用连续标志和转换允许标志来对单周期、连续的单步这三种工作方式进行区分。
结语
设计基于PLC控制的工业机械手，用气压作为驱动系统，以PLC作为控制系统。机械手可以实现在一定的角度范围内旋转，机械手臂上下移动，爪子自由张合的功能。可以根据不同的应用场合，通过更换末端执行器或重新编写PLC控制程序，可以满足不同需求，扩大了工业机械手的使用范围。具有工作空间范围大、定位准确、精度高、刚度好、运动灵活、传动效率高等特点。
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论文作者:王洋
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/4
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