基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现

摘要：为了提高机械手在工业生产中定位的精度，介绍一种基于PLC的三自由度机械手控制系统设计方案。方案中提出了步进电机在机械手定位应用中的一种新思路，详细论述三自由度机械手控制系统的硬件结构及软件实现方法，并建立M("GS组态环境界面对系统的运行进行监控。测试结果表明，该系统运行稳定，定位精确，具有较高的应用价值。
关键词：PLC；三自由度；机械手；步进电机；MCGS组态环境

0 引 言
    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。三自由度机械手又称3D机械人，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。
    可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。
    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。
    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。本文设计的三自由度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。

1 三自由度机械手的系统结构与运动方式
    三自由度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。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。

2 三自由度机械手控制系统设计
    三自由度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。

2．1 硬件设计
    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。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)和方向信号(Y2或Y3)输入时才会转动，Y6，Y7选择将脉冲信号Y0送至哪个步进电机。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。
2．2 软件设计
    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程序中设定，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 系统的MCGS组态环境
    MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善，操作简便，可视性好，可维护性强的突出特点。图4为三自由度机械手系统工作时的MCGS组态环境界面，它包括主界面、手动工作方式界面和自动工作方式界面。

4 结 语
    经调试，步进电机的运转无抖动和失步现象发生，机械手系统处于良好的运行状态。三自由度机械手系统实现的只是三个自由度方向上的运动，根据工业生产的实际需要，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，也可以采用触摸屏代替MCGS组态环境对机械手系统进行控制，这样占用空间小，人机交互界面直观，操作更方便。