采用三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC實現(xiàn)三自由度機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計

機(jī)械手是一種能模擬人的手臂動作，按照設(shè)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(jī)電一體化自動裝置。三自由度機(jī)械手又稱3D機(jī)械人，能夠?qū)崿F(xiàn)三個自由度方向（水平、垂直和旋轉(zhuǎn)）的抓取或放置物品，具有操作范圍大，靈活性好，應(yīng)用廣泛的特點。

可編程控制器（PLC）是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的進(jìn)行數(shù)字運算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高，功能強(qiáng)，編程簡單，人機(jī)交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)目。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無累計誤差的特點，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。

機(jī)械手按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式和機(jī)械式機(jī)械手。本文設(shè)計的三自由度機(jī)械手屬于混合式機(jī)械手，它綜合了電動式和氣動式機(jī)械手的優(yōu)點，既節(jié)省了行程開關(guān)和PLC的I／O端口，又達(dá)到了簡便操作和精確定位的目的。

1 三自由度機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運動方式

三自由度機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型。圖1為機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)械手手臂的左右運動（水平方向）由伸縮步進(jìn)電機(jī)控制，上下運動（垂直方向）由升降步進(jìn)電機(jī)控制，逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)運動則由底盤直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。機(jī)械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其夾緊與松開用氣壓驅(qū)動，并由電磁閥控制。

機(jī)械手可以根據(jù)設(shè)定程序的動作將工件從A處搬運到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開關(guān)，SQ3，SQ4為原點位置和終點位置的光接近開關(guān)。

2 三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

三自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)置了手動工作方式和自動工作方式。自動方式又分為自動回原點、單步、單周期、連續(xù)四種工作方式。

2．1 硬件設(shè)計

主控制系統(tǒng)選用三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選用SH-20403型模塊。機(jī)械手的外部接線圖如圖2所示。

機(jī)械手在最上面、最右邊，底盤轉(zhuǎn)至光接近開關(guān)X3處且夾緊裝置松開時稱系統(tǒng)處于原點狀態(tài)。X10為手動控制按鈕，按下該按鈕后，可以進(jìn)行按鍵開關(guān)X20～X27對應(yīng)的手動操作。X11～X15分別為自動方式中的回原點、單步、單周期和連續(xù)工作方式按鈕，按下其中的某一個按鈕，再按起動按鈕X0，該工作方式的動作就會自動執(zhí)行。步進(jìn)電機(jī)只有在有脈沖信號（Y0）和方向信號（Y2或Y3）輸入時才會轉(zhuǎn)動，Y6，Y7選擇將脈沖信號Y0送至哪個步進(jìn)電機(jī)。Y5控制送氣電磁閥，實現(xiàn)夾緊裝置的夾緊與松開。Y10，Y11控制底盤直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2．2 軟件設(shè)計

在選擇單步、單周期和連續(xù)工作方式前，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于原點狀態(tài)。如果不滿足這一條件，可以選擇回原點工作方式，該工作方式依次執(zhí)行以下操作：向上運動至上限位x1→向右運動至右限位X2→順時針轉(zhuǎn)動至光接近開關(guān)X3→夾緊裝置松開。

機(jī)械手自動工作方式的順序功能圖如圖3所示。機(jī)械手手臂的運動速度由輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率控制，機(jī)械手下降及左行的距離由脈沖數(shù)控制，脈沖頻率和脈沖數(shù)可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際情況在程序中設(shè)定，具有可重復(fù)操作性。

本系統(tǒng)采用的是PLC梯形圖順序編程的方法。其中以PLSY脈沖輸出指令輸出脈沖，用MOV指令設(shè)定脈沖個數(shù)，指定脈沖輸出完后，指令執(zhí)行完成標(biāo)志M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系統(tǒng)中兩個步進(jìn)電機(jī)均需要脈沖輸入，設(shè)計中采用兩個外部繼電器解決了該問題。將Y0輸出的脈沖同時接至兩個繼電器動觸點，兩繼電器的常開觸點分別與兩塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖輸入端相連，Y6，Y7接到兩繼電器的控制端，這樣就可以通過Y6，Y7來控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入。

3 系統(tǒng)的MCGS組態(tài)環(huán)境

MCGS是為工業(yè)過程控制和實時監(jiān)測領(lǐng)域服務(wù)的通用計算機(jī)系統(tǒng)軟件，具有功能完善，操作簡便，可視性好，可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點。圖4為三自由度機(jī)械手系統(tǒng)工作時的MCGS組態(tài)環(huán)境界面，它包括主界面、手動工作方式界面和自動工作方式界面。

4 結(jié) 語

經(jīng)調(diào)試，步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)無抖動和失步現(xiàn)象發(fā)生，機(jī)械手系統(tǒng)處于良好的運行狀態(tài)。三自由度機(jī)械手系統(tǒng)實現(xiàn)的只是三個自由度方向上的運動，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實際需要，可以對其進(jìn)一步改進(jìn)，在夾緊裝置肘部添加腕回轉(zhuǎn)控制裝置，就能使之成為四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)。在條件允許的情況下，也可以采用觸摸屏代替MCGS組態(tài)環(huán)境對機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行控制，這樣占用空間小，人機(jī)交互界面直觀，操作更方便。