浅谈设计机械手控制装置

摘要：本文介绍的机械手是由PLC输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；直流电机拖动手爪和底盘旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给PLC主机；电磁阀控制气开阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。

关键词：可编程控制器PLC 机械手 脉冲 步进电机驱动器

机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。

一、机械手各电器设备的控制方式及要求

（一）机械手的技能和特性

根据古典力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。而且把机械手的功能搞得那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有24个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，费用增多。因此，机械手设计时应根据实际需要，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。

本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。

（二）躯干和传动系统

机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。

1.夹紧机构

机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。设计制造夹紧机构——手爪时，夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式的夹紧机构。

机械式夹紧机构按手指运动的方式和模仿人手的动作，其种类繁多。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在180度。

2.躯干

躯干由底盘和手臂两大部分组成。

底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达270度。

手臂是机械手支撑手爪、工件并运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂以步进电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂运动。改变发出脉冲个数，可控制手臂两个轴的运动距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。

（三）输入/输出的点数

本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。松下FPO系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用松下FPO系列的FPO——C16T作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。由于输入输出点不够，扩展一个FPO——E16RS模块。

（四）电源模块的选择

采用Dm150系列开关电源。其特点是输出功率大，体积小，重量轻，可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。

（五）步进电动机的选择：

采用42BYGH101型二相八拍混合式步进电动机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等特点。

二、控制系统的软硬件设计

（一）控制要求

机械手需要将工件从工作台A移送至工作台B上，其动作过程为下降，上升，右移，再下降，再上升，左移。这些动作均由电磁阀控制液压系统来驱动完成。此外，机械手在夹送工件右行到位后，如果工作台B上的工件尚未移走，机械手则停止运动，待工作台B上的工件被运走后，机械手才能下降。

（二）由机械手执行机构可知

1.输入为14个开关量信号。由限位开关，按纽，光电开关组成。

2.输出为6个开关量信号。右24V电液控制，液压驱动线圈和指示灯组成。

（三）选择PLC型号

根据控制要求，PLC控制系统选用SIEMENS公司S7-200系列CPU224，因为I/O点数不够，另外选择扩展模块EM221

（四）系统的硬件程序设计

操作时，机械手分为手动操作方式，回原点操作方式，单步操作方式，单周期操作方式。

工件传送机械手PLC控制接线图2.1-1所示

图2.1-1件传送机械手PLC控制接线图

控制系统设有手动，单周期，单步，连续和回原点5种工作方式，机械手在最上面和最左面且松开时，称为系统处于原点状态（或称初始状态）。左限位开关I0.2，上限位开关I0.0的长开触点和表示机械手松开的Q0.1的长闭触点的串联电路接通时，“原点条件”存储器位M0.5接通变为ON，并接通Q0.5原点指示灯亮。

若选择单周期工作方式，饥饿下启动按钮I1.6后，从初始步M0.5开始，机械手按状态流程图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。

若选择连续工作方式，在初始状态按下启动按钮I1.6后，机械手从初始步开始一个周期地反复连续工作。当按下停止按钮I1.7时，系统并不马上停止工作，而是完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。

若选择单步工作方式，从初步开始，按一下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在初始步，再按一下启动按钮，又往前走一步单步工作方式常用于系统的调试。

在选择单周期，连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态。如果不满足这一条件，则可选择回原点工作方式，然后按回原点按钮I1.5，使系统自动返回原点状态。在原点状态，流程图中的初始步M0.0为ON，为进入单周期，连续和单步工作方式做好的准备。

三、结束语

本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。本文以日本三菱系列PLC为基础，介绍PLC在机械手步进控制中应用，希望人们可以利用机械手为人类做出更多的贡献。

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