浅析基于PLC的机械手控制系统的设计

摘 要

随着工业自动化的迅猛发展，机械手的应用遍布各个行业，装配、喷漆、搬运、锻压、焊接、热处理和冲压等都能看到机械手的身影。尤其高温、高压、粉尘、辐射等劳动环境恶劣或区域狭窄的工作场所，机械手更是发挥其显著优点。机械手因其生产效率高、自动化程度高等特点受到了越来越广泛的应用。本文基于PLC的机械手控制系统设计，简单介绍了机械手控制系统的原理和设计思路。

【关键词】PLC 机械手 控制系统

随着工业自动化的迅猛发展，机械手的应用遍布各个行业，尤其高温、高压、粉尘、辐射等劳动环境恶劣或区域狭窄的工作场所，机械手更是发挥其显著优点。机械手因其生产效率高、自动化程度高等特点受到了越来越广泛的应用。本文基于PLC的机械手控制系统设计，就机械手控制系统的原理和设计思路进行了简要的介绍。

1 机械手简述

机械手在自动化日益发展的今天，因其生产率高、改善劳动条件、减轻劳动强度等方面的优势，受到了广泛应用。机械手是模仿人手的功能，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动机械装置。机械手不仅能够提高劳动生产率，在改善劳动条件、减轻工人劳动强度方面的优势尤为突出。机械手主要由手抓、运动机构和控制系统三大部分组成。手抓主要作用是抓持，其具体形式由被抓持物的形状、尺寸、重量和材料等决定。运动机构，帮助手抓完成各种规定动作，如左右摆动、上下移动、旋转或复合运动等。机械手的分类方式有很多，如依驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式；依适用范围可分为专业和通用机械手；依运动轨迹控制方式可分为点位和连续轨迹控制。

机械手在自动化日益发展的今天，因其具备如下特点而被广泛应用：①提高生产过程的自动化程度；②改善劳动条件，尤其在高温、高压、低温、低压、灰尘、噪声、辐射和有毒有害工作场所中尤为显著；③减少劳动力，控制生产节奏。综上所述，机械手的发展是机械工业的必然趋势。

2 PLC概述

随着微电子技术的飞速发展，PLC已经成为了自动化的必备配置之一。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），是为工业应用而设计的，基于微处理器的控制装置。由于其通用性好、实用性强、可靠性高和编程方法简单，受到了广泛应用。

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。程序进入可编程控制器后，先经过输入模块，然后在处理后进入CPU模块，在同编程装置的协同处理后，进入输出模块，编译后输出。

PLC的工作原理：①读取输入；PLC存储器中存放输入和输出信号状态的区域称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。②执行程序；PLC是按序依次执行输入映像寄存器的用户指令，并将运算结果存放于相应的映像寄存器中。在程序执行过程中，即使外部输入状态发生变化，输入映像寄存器也不会发生改变。发生变化的输入信号只有在下一个扫描周期才能被读入并执行。③CPU自诊断测试；自诊断测试包括定期检查CPU模块和拓展模块，复位监控定时器及其他内部工作。④改写输出；CPU执行用户程序后，将输出映像寄存器状态传送至输出模块、锁存并按要求输出。⑤中断程序处理；执行中断指令时，CPU立即停止正常扫描方式。中断功能可提高PLC的响应速度。⑥I/O处理；在程序执行过程中，使用I/O指令可直接存取I/O指令。

3 机械手的控制系统的构件

常用机械手的机械结构由滚珠丝杠、滑杆、气缸、传送带等组成；电气结构由PLC、传感器、开关电源盒电磁阀等组成。机械手从构成来看可分为：机械手本体单元、PLC控制单元、电源单元和接口单元等。

（1）机械手本体单元。按功能可分为二轴平衡机构、底盘、旋转手臂机构、夹手和限位开关等。

（2）PLC控制单元。选择适当的输入和输出点数。

（3）限位开关。根据具体运动过程选用满足控制运动要求的停止时刻和位置。

（4）光电开关。利用被检测物体对光束的遮挡和反射，检测物体的有无。

（5）电磁阀。用于实现机械手臂的上升或下降、左转或右转等。

4 机械手的控制系统的设计思路

由于PLC的可靠性强，具备一定的抗干扰能力，同时为便于设备的安装、调试等因素。设计机械手实现的功能是在传送带生产线上，通过PLC控制机械手的动作，完成获取和转移工件的工序。即当光电开关检测到物体的同时传送带A停止，机械手下降并夹紧物体。机械手上升并转动方向，在指定位置下降后松开，随后恢复到初始状态，传动带启动。

机械手上升、下降和旋转是由双线圈二位电磁阀控制气缸运动控制的。当上升电磁阀通电，机械手下降；上升电磁阀断电时，下降动作停止并保持。下降和旋转过程的实现同理可得。而夹紧和放松则是由单线圈二位电磁阀控制气缸运动控制的，线圈通电时执行夹紧指令，断电时执行放松指令。为保证机械手的动作准确，机械手在关键部位需安装限位开关。除此之外，为方便机械手的位置调整，应对其设置手动和自动两种控制方式。具体控制系统中启动、停止按钮，物品检测开关，限位开关，夹放检测开关的数据全部传入PLC中进行处理，处理后现分别传入上升电磁阀，下降电磁阀，旋转电磁阀，夹紧电磁阀和传送带启动等元器件进行动作。

PLC的控制系统的设计主要包括硬件设计、软件设计和调试三个部分。其中硬件设计包括PLC的选型，I/O资源的配置，PLC接线图的设计和操作面板的设计等。软件设计依赖于对程序的熟悉和经验。这里着重介绍一下调试过程。具体步骤包括：系统流程图的绘制；梯形图的绘制，这是程序设计的关键一步；将程序输入到PLC用户存储器，检验程序是否有误；调试程序，直到满足设计要求为止。

在上述过程中有几点需要注意：为了避免产生通信错误，确保数据线与计算机的接口与软件的端口一致；PLC的输入/输出点必须接入电源，其连接的外部模块也必须接入电源；连接PLC的输入/输出端口的动作与程序中定义的动作一致。

参考文献

[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2]李允文.工业机械手设计[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3]周亚军，张卫.电气控制与PLC原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社， 2010.

作者单位

江西科技学院 江西省南昌市 330029