王星阳

摘 要： 随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具——机械手。与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。

关键词： 三自由度；机械手；PLC系统

多关节机械手可以完成对不同形状、不规则工件的抓握，与传统的机械手相比，具有动作灵活，运动惯性小、通用性强、能抓取靠近基座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作等优点。传统的机械手采用继电气控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法满足机械手控制的需求。可编程控制器（PLC）的出现使得这类问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点，能够完成动作要求精度高的工作。

1机械手结构

轴承装配是轴承生产过程中的最后且极为重要的环节，而轴承压盖机则是装配先上较为复杂的部分。利用机械手在轴承装配线上，通过PLC控制机械手的动作，完成取轴承、加盖及转移工件，最后控制压盖机完成压盖的整个过程。图1-1是某以生产线上机械手的工作示意图。

利用PLC控制电动机的转动和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的左右旋转，电磁阀驱动气缸的升降控制机械手臂的上升和下降。多关节机械手的工作过程如图1-2所示：

2 硬件系统设计

按照控制系统的控制要求，在此系统中仅靠PLC主机是无法完成控制要求的，因此扩展了一个I/O和两个模拟量输入/输出模块，以及两个光电开关和一个可控电动机，控制系统的硬件框图如图2-1所示。

2.1 PLC的选型

根据系统控制要求并从经济性和可靠性等方面考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为此机械手控制系统的控制主机。三自由度工业机械手PLC控制系统总共有15个数字量输入，8个数字量输出，供需23点I/O口，根据I/O点数，选用了CPU224作为主机。同时扩展一个I/O模块，选用EM223输入/输出混合扩展模块中的4点输入/4出输出模块。由于需要测量每个手指的压力值，需要将传感器的值输入到PLC中进行判断，所以扩展两个模拟量模块，全部选用4路模拟量输入/1路模拟量输出的EM235模块。EM223和EM235只需要将排线插到主机及扩展模块的插槽上。

2.2 PLC 的I/O资源配置

根据控制系统的功能要求，对PLC进行I/O及其他资源的分配，具体分配如下。

2.3 其他资源设置

要完成系统的功能除了PLC及其扩展模块之外，还需要各种限位开关、光电开关、传感器及编码盘等仪器设备。

3 软件系统设计

根据机械手动作和要实现的功能，多关节机械手控制系统流程图如图3-1所示。

控制系统的主程序，主要是对高速计数器和高速脉冲输出进行初始化。对于高速计数器，选用高速计数器HSC0，工作方式为模式0，输入口为I0.0。

对于高速脉冲输出控制，设置为脉冲输出方式，输出口为Q0.0。脉冲的输出设置为多段管线输出，本例中采用3段输出，完成设置的功能为：时间基准为μs级、不允许更新周期和脉冲数。

手臂的左右旋转采用步进电机进行控制是为了提高定位的精度，所以需要用到高速计数器和高速脉冲输出，对发出的脉冲数和接收到的脉冲数进行比较，定位准确，如果两者有偏差，则补发脉冲，最后达到设定的位置上。

多关节机械手控制系统传感器值1和传感器值2处理子程序，都是针对传感器采集到的值传到PLC处理的子程序，由于机械手爪在每次加工过程中，都需要移动两个工件，对于不同的工件，手爪的力度是不同的，为了防止抓紧力过大，对工件造成损坏，设置两个不同的压力对比值。

在多关节机械手的工作过程中，机械手爪是严格按照一定的顺序运行的，采用顺序控制指令能够非常方便地按照工艺的流程进行设计，当下一个动作开始执行时，前一个动作中的所有元件全部复位到初始状态，减少了出现误动作的概率。

参考文献

[1]王永華等.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社， 2003.

[2]SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.2003.

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