摘要：机械手在各个领域中都有着广泛的应用，特别是在制造业中，机械手的应用就更加广泛，机械手通过交换信号的方式来交换彼此的运动状态和位置信息，在一段运动程序过程中，机械手是否继续运动的判定是通过信号的交换决定的。如果在运动过程中遇到障碍物或者是因为控制器的信号交换出现了一些错误，这将会导致机械手出现一些错误的动作，也就可能发生碰撞的危险。机械手的碰撞即会造成设备的损坏，甚至人员的伤亡。鉴于此，本文对基于PLC的机械手控制系统设计进行分析，以供参考。
关键词：机械手；PLC；程序设计
引言
以PLC作为控制器，各个机械手关节中的交流伺服电动机为执行器，传感器作为一个反馈环节，通过反馈环节使整个系统得到稳定的运行，除了对工件的准确定位外并有效地防止了机械手发生碰撞的危险，大大提高了机械手的安全系数。但是本设计还存在着一些缺陷，对防碰撞的方案设计上比较的单一，只是通过传感器的方式还不能很好地应对复杂的工业现场环境，这也是后续需要提高改正和重点研究的方向。
1机械手原理概述
机器人比人的手力大，能做很多人不能做的事情等，有很多优点，可以提高工业生产的效率，使用操纵器生产工业时的成本有所降低。自动机通常由三部分组成：机器部分、检测部分和控制部分。手安装在手臂前面，是执行器的主体，根据固定对象的形状、重量、材料和操作要求，可以有多种结构。控制部分包括控制系统和人机交互系统。对于自动机基本部件的控制系统，控制系统的任务是控制自动机的实际行为方式。机器人控制系统有开环和闭环控制方法，如果工业机器人没有信息反馈功能，则是开环控制系统。如果有信息反馈功能，那就是闭环控制系统。对于由机器人构成的基本人机交互系统，人机交互系统是允许操作员参与机器人控制和与机器人通信的设备。总之，人机交互系统可分为两类：指示设备和信息显示设备，机器人设备的控制主要通过软件程序完成。
2工业生产领域当中气动机械手的意义
与PLC系统技术结合，使得工业当中生产出来的气动机械手能够完成指定的工作过程和动作，其外部表现就是工业生产过程当中比较常规的自动抓取和搬运等等，这一设备的充足应用，使得现阶段的工业生产领域已经基本实现了自动化控制，这种自动化控制，不仅可以最大程度上的减少工业企业对生产过程的人力投入，还能使得生产的过程变得更加高效，也能使得生产的最终产物的各种标准的结果非常平均，从而降低错误率，提高合格率。从这一角度来说，基于PLC进行操作的工业气动机械手是非常重要的，且在实际的生产过程中，这项技术占据着很高的地位。
3设计内容
3.1机械手的运动轨迹设计
本设计研究的是闭环控制器对机械手进行控制，用户只需要给其示教初始点和终止点，至于连接两点的轨迹无关紧要，因而用户不用编程，该点位控制机械手还可以使各关节的速度是时间的连续函数，或由用户加以变更，也就是说机械手执行预定任务的速度用户可以选择。如果要机械手进行不要求变动的工作，那么最初设定的那些点就可以永久存入存储器中。
3.2防碰撞系统设计
机械手在工作时也要与传感器配合才能更好地达到工作目标，根据感知的信息改进计算机控制，利用这种感知的信息可做到智能化。本设计采用接近觉传感器，该传感器介于触觉传感器与视觉传感器之间，接近觉传感器不仅能够检测物件的距离以及方位，还能够结合视觉和触觉传感器的数据，来检测对需要观察物件的位置、外形，同时还可以分辨所观察物件的表面形状。当机械手要精准地抓取所定位的物件时，机械手对接近觉传感器的精度有着很高的要求，这时接近觉传感器就可以检测到机器人前方的障碍物，限制机械手的运动，防止机械手与障碍物发生或大或小的碰撞。目前机械手一般采用伺服电机驱动，如果碰撞力过大，容易导致伺服电机的损坏。所以机械手的防碰撞功能就显得尤为重要。
3.3系统控制要求
机械手的动作过程，如图1所示。主要功能是将工件从A平台移动到平台B。机械原点设在可动部分左上方，即压下左限开关和上限开关。并且工作钳处于放松状态；上升、下降和左移、右移由电磁阀驱动气缸来实现的；当工件处于工作台B上方准备放下时，为确保安全，用光电开关检测工作台B有无工件，只有无工件时才发出下降信号；机械手工作循环为：启动→下降→夹紧→上升→右行→下降→放松→上升→左行→原点。PLC程序设计的工作方式为点动、单周循环、自动循环和步进四种。
4PLC的硬件设计
4.1PLC选型
PLC是工业自动化领域重要的控制器。基于PLC的机械手控制系统需要对PLC进行正确的选型，以保证系统的可靠性。根据具体控制要求，本文选用三菱FX2N-48MRPLC，I/O点数和为48个，继电器输出型，输入信号电压DC24V，具有体积小、可靠性高、易操作等特点。
4.2PLC的I/O接线
机械手PLC控制系统I/O外围接线图，如图2所示。输入端有按钮、限位开关、手动开关，输出端接电磁阀线圈。输入回路由PLC内部提供DC24V电源，输出回路外接AC220V电源。输出回路考虑每个输出继电器的触点容量及公共COM的容量，并加熔断器保护，以免负载短路损坏PLC。
4.3PLC通讯实现
在实际基于PLC的气动机械手控制系统
的设计工作当中，其通讯功能的实现也非常重要，因为在实际工作当中实现其通讯功能之后，往往可以在实际工业生产操作当中带来非常多的便利，这对于实际的工业生产非常有利。对于整个系统的通讯，触摸屏和PLC的通讯往往具有3种方式可以实现，其中包括MPI、DP以及以太网，具体的方式选择要根据实际的生产情况来进行。
4.4控制系统硬件设计
所设计的机械手可达到手动控制与自动控制等控制方式要求。同时，在操作面板上直观地显示工作方式。旋钮开关可以控制机械手的手动和连接。如果手动按下控制开关，自动机的每个步骤都可以通过按相应的操作按钮来完成。自动调节控制开关时，机器人会连接和循环所有动作。把控制开关拨回原点，机器人会自动回到原点等待。
4.5机械臂动作实现过程
机械臂的每一步运动都由步进电动机和直流电动机的共同完成控制。机器人手臂同时控制上升、下降、前伸以及后缩工作均经控制这两个步伐进电机正反转得以实现。其中基座通过正向、反向和气夹停电，反向主要通过两个继电器以及吸入和分割来控制直流电动机的旋转方向：机械臂夹紧、放松均由一个单线圈两位置电磁阀控制，一旦线圈通电，机械臂则放松；一旦线圈断电，机械臂则夹紧。
结束语
随着科学技术的快速发展，工业生产正在向自动化、智能化方向迈进。在实际生产中，机械手作为自动化设备的重要组成部分，能够模仿人手的动作，实现规定路径下的移动、抓取、搬运等工序。基于PLC技术的机械手控制系统包括手动和自动两种工作方式，逐步代替了人工操作，节省成本，提高工作效率，因此得到广泛应用。
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论文作者:张振凯
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/20
标签：机械手论文; 控制系统论文; 传感器论文; 工作论文; 机器人论文; 系统论文; 工业生产论文; 《基层建设》2019年第24期论文;