基于PLC的三自由度機械手控制系統設計與實(shí)現

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設計方案。方案中提出了步進(jìn)電機在機械手定位應用中的一種新思路，詳細論述三自由度機械手控制系統的硬件結構及軟件實(shí)現方法，并建立M(GS組態(tài)環(huán)境界面對系統的運行進(jìn)行監控。測試結果表明，該系統運行穩定，定位精確，具有較高的應用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：PLC；三自由度；機械手；步進(jìn)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(dòng)作，按照設定程序、軌跡和要求，代替人手進(jìn)行抓取、搬運工件或操持工具的機電一體化自動(dòng)裝置。三自由度機械手又稱(chēng)3D機械人，能夠實(shí)現三個(gè)自由度方向(水平、垂直和旋轉)的抓取或放置物品，具有操作范圍大，靈活性好，應用廣泛的特點(diǎn)。
可編程控制器(PLC)是一種專(zhuān)門(mén)為工業(yè)應用而設計的進(jìn)行數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(jiǎn)單，人機交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統。
步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)執行元件。在非超載情況下，電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數目。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性誤差而無(wú)累計誤差的特點(diǎn)，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應用得非常廣泛。
機械手按驅動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機械式機械手。本文設計的三自由度機械手屬于混合式機械手，它綜合了電動(dòng)式和氣動(dòng)式機械手的優(yōu)點(diǎn)，既節省了行程開(kāi)關(guān)和PLC的I／O端口，又達到了簡(jiǎn)便操作和精確定位的目的。

1 三自由度機械手的系統結構與運動(dòng)方式
三自由度機械手為圓柱坐標型。圖1為機械手結構示意圖，機械手手臂的左右運動(dòng)(水平方向)由伸縮步進(jìn)電機控制，上下運動(dòng)(垂直方向)由升降步進(jìn)電機控制，逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉運動(dòng)則由底盤(pán)直流電機的正反轉控制。機械手的夾緊裝置采用關(guān)節結構，其夾緊與松開(kāi)用氣壓驅動(dòng)，并由電磁閥控制。
機械手可以根據設定程序的動(dòng)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(kāi)關(guān)，SQ3，SQ4為原點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的光接近開(kāi)關(guān)。

2 三自由度機械手控制系統設計
三自由度機械手系統設置了手動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。自動(dòng)方式又分為自動(dòng)回原點(diǎn)、單步、單周期、連續四種工作方式。

2．1 硬件設計
主控制系統選用三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC，步進(jìn)電機驅動(dòng)器選用SH-20403型模塊。機械手的外部接線(xiàn)圖如圖2所示。