基于PLC的三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了提高機械手在工業(yè)生產(chǎn)中定位的精度，介紹一種基于PLC的三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計方案。方案中提出了步進電機在機械手定位應(yīng)用中的一種新思路，詳細論述三自由度機械手控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件實現(xiàn)方法，并建立M(GS組態(tài)環(huán)境界面對系統(tǒng)的運行進行監(jiān)控。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，定位精確，具有較高的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：PLC；三自由度；機械手；步進電機；MCGS組態(tài)環(huán)境

0 引 言
機械手是一種能模擬人的手臂動作，按照設(shè)定程序、軌跡和要求，代替人手進行抓取、搬運工件或操持工具的機電一體化自動裝置。三自由度機械手又稱3D機械人，能夠實現(xiàn)三個自由度方向(水平、垂直和旋轉(zhuǎn))的抓取或放置物品，具有操作范圍大，靈活性好，應(yīng)用廣泛的特點。
可編程控制器(PLC)是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的進行數(shù)字運算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高，功能強，編程簡單，人機交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件。在非超載情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)目。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性誤差而無累計誤差的特點，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。
機械手按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式和機械式機械手。本文設(shè)計的三自由度機械手屬于混合式機械手，它綜合了電動式和氣動式機械手的優(yōu)點，既節(jié)省了行程開關(guān)和PLC的I／O端口，又達到了簡便操作和精確定位的目的。

1 三自由度機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運動方式
三自由度機械手為圓柱坐標型。圖1為機械手結(jié)構(gòu)示意圖，機械手手臂的左右運動(水平方向)由伸縮步進電機控制，上下運動(垂直方向)由升降步進電機控制，逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)運動則由底盤直流電機的正反轉(zhuǎn)控制。機械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其夾緊與松開用氣壓驅(qū)動，并由電磁閥控制。
機械手可以根據(jù)設(shè)定程序的動作將工件從A處搬運到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開關(guān)，SQ3，SQ4為原點位置和終點位置的光接近開關(guān)。

2 三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計
三自由度機械手系統(tǒng)設(shè)置了手動工作方式和自動工作方式。自動方式又分為自動回原點、單步、單周期、連續(xù)四種工作方式。

2．1 硬件設(shè)計
主控制系統(tǒng)選用三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC，步進電機驅(qū)動器選用SH-20403型模塊。機械手的外部接線圖如圖2所示。