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摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，全自动的机械手应用也越来越广泛。全自动的机械手可以轻松逼真地模仿人类的手掌部分以及手臂部分的活动，做出抓取、放开、移动等动作。基于此，结合所学知识以及社会实践，对机械手的组成部分、操作过程等方面分析其总体设计方案，并从工作原理与要求、软硬件等方面分析其控制系统的设计方案，以展示操作机械手的工作流程、以及检测和执行工具的位置摆放。
关键词：自动控制；机械手；设计
引言
机械手在工业科技中的应用时间较长，随着工业生产的不断发展进步，机械手的控制技术也得到了较为快速的发展。人们在很早以前就希望能够借助其他的工具替代人类自身的手去从事重复性的工作，或者具有一定危险性的工作，从而提高工业的生产效率，同时也能规避人们在生产实际生产中碰到的危险情况。此外，在一些特殊的场合中，必须要依靠机械手才能加以完成。未来机械手在工业生产中将发挥更大的作用，本文主要对机械手的控制方式及控制系统设计方法进行了较为详细的分析。
1机械手的控制要求
工业机械手有上下移动、左右移动和手抓夹紧松开的动作。动作流程如下：一开始在原点位置，当在现场按下启动按钮或者上位界面点击启动按钮时，机械手先下降，下降到位后，机械手爪夹紧，抓取工件；抓完后上升，到上限后停止上升，右移，右移到位后停止右移，下降，下降到位后松开，放工件；再上升，上升到位后停止上升，左移，左移到位后停止。运行过程中按下停止按钮，立即停止。
2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。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。
3机械手的控制系统设计
首先，对于机械手的选择，根据经典力学，物体在三维空间中的静止位置由三个坐标或围绕三个轴的旋转角度确定，因此可以在理论上确定物体的位置和取向（即，接头的角度）。相反若根据动作的实际需要，设计具有最小自由度的机器人以满足工作要求，因此通用机器人（不包括夹持动作）通常仅具有2至3个自由度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通用操纵器通常需要4到5个自由度，本设计中使用的机器人具有5个自由度，这五个自由度允许机器人弯曲手臂，上下摆动手臂，左右摆动手臂，摆动手腕，抓住手指。其次，对于功率单元的选择，工业机器人需要非常高的精度，因此该设计使用步进电机。当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机沿设定方向旋转固定角度，称为“步进角”，其旋转以固定角度逐步运行。对于传感器的使用，接近开关用作手旋转和底盘旋转眼位置检测，并且限位开关用作水平轴和垂直轴极限检测。接近开关有3条连接线（红色，蓝色，黑色），红色连接到电源的正极，蓝色连接到电源的负极，黑色是输出信号。接近停止时输出水平低，否则高。对于机械手的控制系统设计，本设计是以空间中两点之间的对象处理运动为例进行分析。具体控制流程如下：打开PLC，在初始化完成之后，首先加载与圆柱坐标系中的对象的位置相对应的脉冲数，并且水平轴和垂直轴步进电机和基本伺服电机同时操作。水平轴向前延伸，垂直轴上升，基座向前旋转。当步进电机因脉冲输出而中断或停止时，伺服电机就位后，腕电机通电，驱动手腕向相反方向旋转。当传感器检测到限位头时，电机停止，PLC控制电磁阀，夹具夹紧。延迟一段时间后，在目标位置的圆柱坐标系中加载相应数量的脉冲，横轴和纵轴步进电机和基础伺服电机同时工作，返回到物体的位置;腕部电动机通电以驱动腕部向前旋转，电磁阀复位，爪子释放延迟一段时间。最后，判断主程序开关状态，如果仍然打开，则开始下一个传送操作循环。在机器人控制系统外部接线图的设计中，应根据系统的控制要求和输入输出点的数量选择合理的机器人模型。为了确保在紧急情况下（包括PLC发生故障时）可以可靠地切断PLC的负载功率，交流接触器KM设置在PLC的外部电路中。在PLC运行时按下“加载电源”按钮以激励KM线圈，并通过在启动按钮SB2上并联连接的自保持触点自锁。同时，连接到AC电源两对主触头接通，以向外部负载供电，可控制PLC所有的输出负载都断电。整个控制程序分为四个部分：实用程序，自动程序，手动程序和归位程序。其中，实用程序无条件执行，并在各种工作模式 下运行。选择手动模式时调用手动模式;选择归位模式时，将调用归位程序;当选择连续，单循环和单步三种工作模式中的一种时，调用自动程序。单步，单循环和连续操作模式包含在自动程序中，因为它们的操作在同一过程中执行。因此将它们组合在一起进行编程更加合理和简单，在设计机器人控制系统各部分的程序后，根据控制系统梯形图的整体结构，最终集成了应用程序，手动程序，自动程序和归位程序，可以使用完整的机器人控制系统梯形图程序。调试程序时，建议分别调试程序的各个部分，然后调整整个程序。
结束语
综上所述，这一设计展示了操作机械手的工作流程、检测和执行工具的位置摆放。首先机械手在原地不动，启动机械手后，它的运作程序主要是：（检测到有工件停）下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移→传送带，这一系列流程总共包括九个动作，共同组成了机械手的操作流程。机械手相关的下降、上升、左移、右移工作模式的操作以及控制都是通过限位开关来实现，再通过时间继电器对夹紧、放松相关动作实施控制。
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论文作者:刘桂廷
论文发表刊物:《中国电业》2019年第06期
论文发表时间:2019/7/15
标签：机械手论文; 程序论文; 控制系统论文; 机器人论文; 位置论文; 模式论文; 工作论文; 《中国电业》2019年第06期论文;