基于PLC的三自由度机械手控制系统设计

张凯　方立雯

摘 要：传统的机械手控制系统在机器进行运转的时候存在抖动幅度大和失步的问题，为此，提出了一种基于PLC的三自由度机械手控制系统设计。首先对系统的硬件进行了设计，得出了硬件的框图；然后对系统的软件设计；最后进行了实验。

关键词：PLC；三自由度；机械手控制；系统设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.126

0 引言

在工厂中，机械手的工作相当于人的手臂一样，可以按照特定的结构进行抓取、搬运等工作[1-2]。三自由度的机械手操作系统又被称作3D的机械人，可以模拟人手臂的运动行为[3-4]。随着社会经济的不断进步，传统的机械手控制系统在机器进行运转的时候存在抖动幅度大和失步的问题，不能满足工厂的需求。为此，我提出了一种基于PLC的三自由度机械手控制系统设计。首先对系统的硬件进行了设计，得出了硬件的框图；然后对系统的软件设计；最后进行了实验。实验结果表明，该系统的设计具有运行稳定和定位精准等优点，对于我国未来的社会经济具有促进的作用。

1 基于PLC的三自由度机械手控制系统设计

基于PLC的三自由度机械手的手臂进行左右运动的时候是由伸缩的步进电机控制，进行上下运动的时候是由升降的步进电机来控制，而进行旋转运动的时候是由机械底部的直流电机工作运行时候的正反旋转来控制。而三自由度机械手进行夹紧工作的时候采用的是关节的结构装置，进行松开工作的时候是由电磁阀的气压驱动来控制。

该系统硬件设计的主要控制系统采用的是SH-2040型的步进电机驱动器和FX2N这一系列的三菱晶体管输出，这种机械手能够在不同的方向上进行抓取的运动，主要的运动系统是由垂直、水平、手爪和旋转组成的，并且每一个组成的系统都是由2个直流的电机进行发电和4个行程的开关进行控制，进行垂直的运动来完成一些的动作。

机械手进行垂直运动的时候，主要由电机、计数行程和限位行程的开关组成的。使用9V的电压和直流的电机进行正向旋转的运动来提供抓力。计数行程的开关是用来对旋转圈数的计量。使用9V的电压进行反向旋转的时候，其限位行程的开关就会控制机械手的行为，不能超过极限的范围；当机械的手臂向上方进行运动的时候，如若超过了上方极限的位置，那么运动的行为就会停止。具体的硬件设计的框图如图1所示。

进行垂直运动的时候将该过程分为两个阶段，分别是复位的阶段和定位的阶段。复位阶段指的是机械手通过电机进行运动的时候，整个手臂呈现反转的状态，直到手臂碰到限位形成的整个开关即可结束运动；定位阶段指的是机械手通过电机进行运动的时候，手臂从最初的位置进行下降的运动行为，并由技术开关来计量手臂到达的位置，到达指定的位置后行为结束。

2 实验结果与分析

为了验证基于PLC的三自由度机械手控制系统设计合理的有效性，进行了如下的实验。控制电机的电压为9V，输出的电压为24V，将3个继电器的接地端与电压为9V的设置连接在一起，这样就能使3个继电器中原本的端子被化解为1个；然后分别将电机中的2个输入端连接在不同的继电器之中；最后将中间的继电器与24V电压的装置进行连接，使程序对电机进行自主的正反转控制。对传统的机械手控制系统与基于PLC的三自由度机械手控制系统进行了对比，如图2所示。

由图2可以看出，在相同的时间范围内，基于PLC的三自由度机械手控制系统旋转的圈数明显高于传统的机械手控制系统。

由此可得出结论：基于PLC的三自由度机械手控制系统的设计能够实现物体的自动循环，并且具有强大的灵活性和准确性。通过对系统的设计，能够改变以往的系统结构，使工作更加的灵活快捷。

3 结束语

基于PLC的三自由度機械手控制系统的设计改善了原有步进机器运转时出现的抖动和失步的情况，只是利用三个自由的方向就能使系统处于良好的状态。根据工厂中实际工作的需求，将进一步完善夹紧装置，在弯曲的位置添加一个回转的控制器。在条件允许的情况下，采用触屏的方式代替手动的操作，这样可以减小占用的空间。该系统的设计不但使人机交互的界面变得更加的直观，操作起来也非常的方便。

参考文献：

[1王建伟，薛芳喜.基于PLC的新型车载机械手控制系统设计[J]. 机床与液压，2017，45（05）：44-46.

[2]张晓明.三自由度移动机械手远程智能控制方法仿真[J].计算机仿真，2017，34（03）：344-347.

[3]李海驻，胡志刚，郭利君等.三自由度机械手的仿真研究[J]. 机械设计与制造，2014（10）：186-189.

[4]汪帮富，宋娟，赵卫东等.基于PLC技术的液控分拣机械手的设计[J].机床与液压，2016，44（03）：19-23.

作者简介：张凯（1988-），男，助教，主要从事机械制造及其自动化方向研究。endprint