对我校机械手教学设备的电气改造实践

[摘 要]机械手控制系统控制需上充分考虑了可靠性高和易维护的需求，从而解决了原系统在接收高速数据时产生的误操作和系统扫描时间过长，简化了系统程序。利用触摸屏可以控制机械手调速定位以及多种工作方式，改造后的系统运行得到很大的提高，教学的范围及效果也可以得到明显改善。

[关键词]机械手；PLC ；教学设备； 步进电机； 触摸屏

中图分类号：TV523 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0137-03

0 引言

随着自动化程度的提高，PLC在工业过程控制中的应用越来越广泛。我校的“机械手”教学设备的改造是本次改造的主要内容。“机械手”是利用AT8051单片机加步进电机的控制工作，在教学和实际生产中都有着广泛的应用。在机械手的运行和使用过程中，往往出现了下列问题：①可靠性低，常出现停机或死机现象，对教学或生产产生很大影响。②机械手是采用高速脉冲方式进行控制步进电机。而系统在接收高速数据时容易产生误操作，容易损坏设备。③采用的系统接线复杂和内部编程很难修改，在实际生产中难以通过改变程序来维护设备，在教学上导致学生只能看着运行的结果而不能实际参以进去。为此，通过PLC加触摸屏改造的系统可以在教学中或实际生产中得到改观。

1 系统硬件设计

机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。机械手能够实现三个自由度方向（水平、垂直和旋转）的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点，基于PLC与触摸屏的系统涉及的自动化知识广泛，可以让机械手实现任何位置地调节（在触摸屏上的调速调位方式），系统得到很大的提高。在实际应用中可以得到很大的提升，学生在实际操作中也可以灵活应用。

机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本次通过改造的机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I/O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。

可编程控制器选用三菱FX2N系列晶体管输出型PLC，系统在处理电机的转速和位置时，需要用到高速计数器。而PLC主要分为三种形式，一为继电器型，这种形式的输出口是继电器驱动，能进行交直流控制，但反应速度慢，不能处理高速数据；二为晶体管型，这种形式的输出口是晶体管驱动，只能进行直流控制，反应速度是三种方式中最快，能处理高速数据；三为晶闸管型，输出口是晶闸管驱动，只能进行交流控制，反应速度中等，能处理一些高速数据；综合系统所选用硬件，选用晶体管型最合适。

步进电机驱动器选用SH-20403型模块，利用PLC与其进行控制，可以达到较好的结果。

触摸屏选用三菱F940GT系列，通过串口在计算机中由专用软件完成画面的制作和传输，再通过串口与PLC进行通信，实现其作为图形操作和显示终端的功能。在机械手系统中，触措屏作为PLC的输入和输出设备，实现对控制对象的操作与显示。表1是主要硬件配置表：

2 机械手的系统结构与运动方式改造

机械手为圆柱坐标型。图1为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动（水平方向）由伸缩步进电机控制，上下运动（垂直方向）由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋转运动则由底盘直流电机的正反转控制。机械手的夹紧装置采用关节结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。

机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处。A处和B处的位置在触摸屏中可以设置，这样可以自由定到上下和左右的所有空间，大大提高了机械手的效率。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6为水平和垂直方向上的限位开关，SQ3，SQ4为原点位置和终点位置的光接近开关。

机械手系统设置了手动工作方式和自动工作方式。自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式。

主控制系统选用三菱FX2N系列晶体管输出型PLC，步进电机驱动器选用SH-20403型模块（步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。）。

3 PLC与触摸屏控制改造

3.1 输出输入的分配

机械手的外部接线图如图2所示，机械手在最上面、最右边，底盘转至光接近开关X3处且夹紧装置松开时称系统处于原点状态。X10为手动控制按钮，按下该按钮后，可以进行按键开关X20～X27对应的手动操作。X11～X15分别为自动方式中的回原点、单步、单周期和连续工作方式按钮，按下其中的某一个按钮，再按起动按钮X0，该工作方式的动作就会自动执行。步进电机只有在有脉冲信号（Y0、Y1）和方向信号（Y2或Y3）输入时才会转动，Y5控制送气电磁阀，实现夹紧装置的夹紧与松开。Y10，Y11控制底盘直流电机的正反转。

3.2 系统控制组成设计

在选择单步、单周期和连续工作方式前，系统应当处于原点状态。如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，该工作方式依次执行以下操作：向上运动至上限位x1向右运动至右限位X2顺时针转动至光接近开关X3夹紧装置松开。

机械手自动工作方式的顺序功能图如图3所示。机械手手臂的运动速度由输入步进电机的脉冲频率控制，机械手下降及左行的距离由脉冲数控制，脉冲频率和脉冲数可以根据工业现场的实际情况在触摸屏中设定，具有可重复操作性。

本系统采用的是PLC梯形图顺序编程的方法。其中以PLSY脉冲输出指令输出脉冲，用MOV指令设定脉冲个数，指定脉冲输出完后，指令执行完成标志M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系统中两个步进电机均需要脉冲输入，设计中采用两个外部继电器解决了该问题。将Y0输出的脉冲同时接至两个继电器动触点，两继电器的常开触点分别与两块步进电机驱动器的脉冲输入端相连，Y6，Y7接到两继电器的控制端，这样就可以通过Y6，Y7来控制步进电机的脉冲输入。

3.3 系统的触摸屏设计

触摸屏具有功能完善，操作简便，可视性好，可维护性强的突出特点，在与其他人机交换设备相比，触摸屏的操作更为简捷方便。图4为机械手系统工作时的触摸屏界面，它包括主界面、手动工作方式界面和自动工作方式界面。

（主界面一共有两种工作方式的选择。在手动工作方式界面可选择夹紧、松开、下降、上升、左行、右行、逆时钟转动、顺时钟转动，也可以选择返回主界面进行其他选择。自动工作方式界面可进行回原点、单周期、单步、连续、启动、暂停、返回主界面操作。表2是触摸屏与PLC对应的内部继电器。）

3.4 系统程序设计

系统总体程序如图7、图8（图6为自动操作程序流程图）。系统程序采用步进指令，并使用方便指令中的初始化指令IST（如图5），很大程度地简化了程序。在控制上用触摸屏进行操作系统的同时也可以用外部控制元件（开关、按钮等）进行控制。

4 结语

经改造调试，机械手系统解决了常出现停机或死机的现象，在接收高速数据时不容易产生误操作，系统接线与程序的改变都得到简化。系统只是在教学设备中得到验证，在工业生产的实际中，可以对其进一步改进，在夹紧装置肘部添加腕回转控制装置，就能使之成为四自由度机械手控制系统。在条件允许的情况下，也可以采用伺服电机代替步进电机对机械手系统进行控制，这样运行可靠性更高，控制效果更好，对实际教学的知识面更广。

参考文献

[1] 廖常初编著.可编程序控制器应用技术（第三版）.重庆：重庆大学出版社，2000

[2] 梁耀光、余文裰鞅 《电工新技术教程》 北京：中国劳动社会保障出版2007

[3]王永华等编.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2003.9

[4]工业机械手实训台 使用说明书

[5]松下A5伺服电机说明书

作者简介： 李建静，男，湛江机电学校教师。