第1章緒論1.1課題研究背景隨著工業(yè)智能化的不斷滲入，產(chǎn)業(yè)智能制造不斷走進(jìn)我們的工業(yè)生活中。工業(yè)機(jī)械手作為最基礎(chǔ)的單元，其目的是為了讓工件從一個(gè)工位移動(dòng)到另一個(gè)工位，它可代替人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作。機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。但是機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。PLC作為控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的核心控制器，其穩(wěn)定性、精度和效率對(duì)機(jī)械手的運(yùn)行性能起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)PLC機(jī)械手的控制算法和技術(shù)進(jìn)行深入研究，能夠提高機(jī)械手的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。其次，人工智能和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC機(jī)械手在感知和識(shí)別方面的需求也越來(lái)越迫切。通過(guò)激光雷達(dá)、相機(jī)視覺(jué)等技術(shù)，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的準(zhǔn)確抓取和定位，從而提高生產(chǎn)線的智能化水平。因此，機(jī)械手的感知技術(shù)和視覺(jué)識(shí)別技術(shù)也成為研究的重點(diǎn)。此外，隨著工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的多樣化和復(fù)雜化，機(jī)械手在不同工作環(huán)境下的適應(yīng)能力也成為研究的重要課題。自適應(yīng)控制技術(shù)可以根據(jù)環(huán)境變化實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)和策略，使機(jī)械手能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境和任務(wù)需求，提高生產(chǎn)線的靈活性和效率。PLC機(jī)械手研究的背景主要包括工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展需求、感知技術(shù)的進(jìn)步、自適應(yīng)控制的需求以及動(dòng)力學(xué)建模和仿真分析的重要性。通過(guò)對(duì)這些方面的研究，可以不斷提升PLC機(jī)械手的控制性能和智能化水平，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和智能化發(fā)展。[1]隨著我國(guó)科技的發(fā)展，人類對(duì)機(jī)械手使用過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性有了更高的新認(rèn)識(shí)。目前機(jī)械工業(yè)化中控制方式有常見(jiàn)的利用可編程邏輯控制器（PLC），單片機(jī)DSP控制技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）控制等多種方案。從方案成本和市場(chǎng)化的角度而言，PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制已成為一種必然趨勢(shì)。其編程的梯形圖相對(duì)簡(jiǎn)答易懂，底層都已封裝好，只需要在上面根據(jù)自己的需求和相應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制要求進(jìn)行二次開發(fā)即可。1968年，由于繼電器不能滿足工業(yè)化和生產(chǎn)工藝的控制要求，美國(guó)通用汽車與美國(guó)數(shù)字公司聯(lián)合研制出第一代的可編程序控制器即PLC。得益于這些控制和監(jiān)視的需求，PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進(jìn)行順序控制為主的產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上PLC、DCS與IPC這三款工業(yè)控制產(chǎn)品，同時(shí)還存在著硬件控制的單回路調(diào)節(jié)器等還占據(jù)著一定的百分比。目前國(guó)內(nèi)的PLC生產(chǎn)廠家有幾十家，有臺(tái)灣的臺(tái)達(dá)，云南的聯(lián)誠(chéng)科技，億維、信捷、合信等。但仍然存在部分廠商仿制，組裝，貼牌進(jìn)行生產(chǎn)和銷售。我國(guó)每年新增10萬(wàn)臺(tái)套PLC產(chǎn)品，折合人民幣30億元。市場(chǎng)的需求量是比較大的。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中常用的幾款PLC廠商，MCGS昆侖通態(tài)支持的PLC系列,根據(jù)使用手冊(cè)我們查詢到MCGS支持以下系列的PLC設(shè)備:日本歐姆龍、三菱FX、富士、松下等公司產(chǎn)品，施耐德公司的PLC、羅克韋爾公司及AB公司的PLC、德國(guó)西門子系列產(chǎn)品;美國(guó)通用公司的產(chǎn)品。PLC的分類，目前按國(guó)內(nèi)外的情況，根據(jù)IO口的數(shù)量多少可以分成微型(32個(gè))、小型（256個(gè)）、中型（1024個(gè)）、大型（4096個(gè)）和巨型（8195個(gè)）的PLC。如圖4所示是市面上常見(jiàn)的一款西門子S7200實(shí)物圖。[2-3]圖1-1西門子S7200實(shí)物圖1.2PLC機(jī)械手的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀PLC（可編程邏輯控制器）機(jī)械手是一種集成了PLC控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)械手，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線中。目前，PLC機(jī)械手的研究主要集中在提高其精度、速度和靈活性方面。研究人員致力于開發(fā)新的控制算法和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在復(fù)雜環(huán)境下的高效操作。研究學(xué)者在控制算法方面不斷探索創(chuàng)新。例如，研究學(xué)者劉明[4]提出了一種基于模糊邏輯的控制算法，實(shí)現(xiàn)了PLC機(jī)械手在復(fù)雜環(huán)境下的高效操作。同時(shí)，王剛[5]提出了一種基于遺傳算法的優(yōu)化控制方法，提高了機(jī)械手的定位精度和速度。其次，動(dòng)力學(xué)建模和仿真研究也備受關(guān)注。研究學(xué)者李華[6]在動(dòng)力學(xué)建模方面取得了一定成果，提出了一種基于有限元分析的動(dòng)態(tài)控制模型，為機(jī)械手在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性提供了理論支持。此外，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在PLC機(jī)械手研究中扮演著重要角色。國(guó)外方面，研究機(jī)構(gòu)注重PLC機(jī)械手的控制算法、感知技術(shù)和自適應(yīng)控制等方面的研究。[7]在控制算法方面，基于模型預(yù)測(cè)控制、遺傳算法優(yōu)化控制等方法被廣泛應(yīng)用，提高了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度和效率。感知技術(shù)方面，激光雷達(dá)、相機(jī)視覺(jué)等技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)械手能夠在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主操作和避障功能。自適應(yīng)控制技術(shù)的研究也受到重視，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)和策略，使機(jī)械手能夠適應(yīng)不同工作環(huán)境和任務(wù)需求。第2章機(jī)械手PLC及電機(jī)的應(yīng)用2.1機(jī)械手設(shè)計(jì)如下圖所示，從左側(cè)工作臺(tái)移動(dòng)到右側(cè)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)物料及物資的功能。下圖顯示了常見(jiàn)的機(jī)械手工作平臺(tái)，包含著左側(cè)的機(jī)械手豎直機(jī)械臂的立柱機(jī)構(gòu)，右側(cè)連接著機(jī)械手，下面放置著左右兩個(gè)工作臺(tái)。以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手左移，右移，上升下降以及機(jī)械手指的夾緊和放松的動(dòng)作要求。[8]圖2-1機(jī)械手工作平臺(tái)下面我們將對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將該部分可以分為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)和工作臺(tái)底座三大部分進(jìn)行闡述。該結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可是螺旋機(jī)構(gòu)，而螺旋機(jī)構(gòu)又可以分為滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)二大部分。簡(jiǎn)單的螺旋機(jī)構(gòu)主要由螺桿、螺母和機(jī)架組成，是將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，方便人為調(diào)節(jié)，同事傳遞力和力矩。按照摩擦副的類型進(jìn)行區(qū)分，又可以細(xì)分為滑動(dòng)螺旋和滾動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)?；瑒?dòng)螺旋機(jī)構(gòu)所用的螺紋為傳動(dòng)性能好，效率高。采用的螺旋截面有矩形、梯形和鋸齒形螺紋。而滾動(dòng)螺旋的螺旋副為滾動(dòng)摩擦，其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是在螺桿和螺母之間設(shè)有封閉循環(huán)滾道，這一結(jié)構(gòu)在直線導(dǎo)軌中已有應(yīng)用。在其間兩側(cè)放置鋼球，形成封閉的循環(huán)滾道。當(dāng)螺旋桿移動(dòng)時(shí)，鋼球在循環(huán)滾道進(jìn)行滾動(dòng)并且?guī)?dòng)螺桿作直線運(yùn)動(dòng)，按循環(huán)滾道的不同可以區(qū)分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種形式。機(jī)械手的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用的是滾動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)滾動(dòng)的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率高，查詢相關(guān)參數(shù)可知其傳動(dòng)效率可達(dá)到90%左右，利用調(diào)整的方法可以消除部分誤差，同時(shí)精度得到相應(yīng)的提高。機(jī)械手的夾持機(jī)構(gòu)，目前市面上常見(jiàn)的機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)（亞德客），電動(dòng)，液壓等幾種方式。對(duì)應(yīng)的機(jī)械手夾持器可分為雙指手抓式，如果采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式的話，對(duì)應(yīng)亞德客品牌的系列產(chǎn)品如HFR氣動(dòng)手指就可使用，產(chǎn)品的示意圖如下圖2-2所示。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的話目前市面大多采用的是步進(jìn)電機(jī)加驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，該方式利用控制器輸出對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)完成對(duì)電機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)的前進(jìn)后退，張開和松緊等動(dòng)作，進(jìn)而滿足機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要求。圖2-2亞德客HFR氣動(dòng)手指圖工作臺(tái)底座，工作臺(tái)底座是整個(gè)工作臺(tái)的支撐部分, 應(yīng)該保證其有足夠的強(qiáng)度和硬度，以確保其能正常工作。保證機(jī)器在運(yùn)行及移動(dòng)過(guò)程中承受相應(yīng)的扭矩和力矩不發(fā)生相應(yīng)的失效和變形。材質(zhì)選取上市面上容易買到的角鐵進(jìn)行加工而得，這樣整個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，成本低，安裝及調(diào)整起來(lái)也方便點(diǎn)。機(jī)械手采用市面上常見(jiàn)的軸承作為支撐同時(shí)也需要保證其摩擦系數(shù)盡可能小，減小摩擦生熱帶來(lái)的影響。[9]機(jī)械手將工件從左工作臺(tái)搬運(yùn)到右工作臺(tái),整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程要求都能自動(dòng)控制。在啟動(dòng)過(guò)程中能切換到手動(dòng)控制及自動(dòng)控制或半自動(dòng)控制(又稱單周期控制),以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢修。機(jī)械手的上升、下降、左平行移動(dòng)、右平行移動(dòng)等動(dòng)作是通過(guò)電機(jī)對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)完成。機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)是通過(guò)控制手指機(jī)構(gòu)的左移和右移完成的，也是由電機(jī)發(fā)出信號(hào)完成控制。系統(tǒng)啟動(dòng)之前,機(jī)械手處于原始位置。裝夾工件完之后，機(jī)械手要回到坐標(biāo)原點(diǎn)。簡(jiǎn)單的過(guò)程可以描述為機(jī)械手下降—夾緊—工件—機(jī)械手上升—右移—下降—夾緊工件—機(jī)械手上升—右移—下降——松開工件—上升——左移—回到原點(diǎn)。如此是一個(gè)周期，重復(fù)上述動(dòng)作即可連續(xù)不斷地對(duì)工件進(jìn)行裝夾移動(dòng)的動(dòng)作過(guò)程。單周期模式：即按照工序要求，只形成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期，完成相應(yīng)動(dòng)作要求后回到原點(diǎn)。連續(xù)工作模式：即按照工序要求，連續(xù)不斷地進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)周期，當(dāng)動(dòng)作指令要求發(fā)出回到原點(diǎn)時(shí)候，即停止工作。正常停車:在正常工作狀態(tài)下停車。按下復(fù)位按鈕，機(jī)械手在完成最后一個(gè)動(dòng)作后，返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)。緊急停車：當(dāng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生故障或者出現(xiàn)緊急情況，按下緊急停車按鈕，機(jī)械手就會(huì)停止在當(dāng)前位置，當(dāng)故障消除后，手動(dòng)按下回原點(diǎn)按鈕，機(jī)器將從頭開始工作。2.2PLC內(nèi)部原理PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析：如圖2-3所示，可編程序控制器(ProgrammableLogicController）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，主要由:中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM、ROM)、專門設(shè)計(jì)的輸入輸出(IO)電路和外存接口，其他接口等組成。其中輸入接口光耦，接入接線端子，輸出接口是繼電器或晶體管連接輸出接線端子，外存接口連接EPROM和盒式存儲(chǔ)器，其他接口對(duì)應(yīng)著接著A/D、D/A接口和計(jì)算機(jī)接口。中央處理器目前采用三類處理器，第一種是采用通用處理器如8080、6800等常見(jiàn)的處理器，價(jià)格不僅便宜而且通用性強(qiáng)，適用范圍廣。第二種是單片機(jī)，如早期的8051系列，單片機(jī)的有著集成度高、體積小、價(jià)格低和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于PLC的IO口模塊。第三種是位片式微處理器，常見(jiàn)的有AMD公司的2900系列，4位為一片，再將幾個(gè)片進(jìn)行相應(yīng)的級(jí)聯(lián)接，進(jìn)而組成任意字長(zhǎng)的微處理器，該類處理的速度明顯高于其他幾種，廣泛應(yīng)用于高速高性能單片機(jī)中。圖2-3PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖開關(guān)量輸入接口單元和開關(guān)量輸出接口單元。如圖2-4所示為匯點(diǎn)式的輸入接口的接線方式，將觸點(diǎn)開關(guān)SB1、SB2、SQ1、SQ2及熔斷器FR分別接入到端口上，外部的PNP型傳感器用來(lái)對(duì)所有的觸點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行保護(hù)。如圖7所示是分組式的輸出接口接線方式，如圖2-5所示為分組式的輸出接口接線方式留有AC220V，DC5V,AC6.3V的三種電源輸入接口，同時(shí)還有對(duì)每個(gè)右側(cè)的Y系列的輸出端口上接有反向二極管起保護(hù)作用。圖2-4匯點(diǎn)式的輸入接口的接線方式圖2-5組合式的輸出接口的接線方式圖2-6中的（a）所示是PLC輸入端口的內(nèi)部直流輸入電路圖。圖2-7中的（b）所示是PLC輸入端口的內(nèi)部交流輸入電路圖：S處為外部開關(guān)，COM處為公共端點(diǎn)，用兩個(gè)二極管反向并聯(lián)進(jìn)行輸入點(diǎn)的狀態(tài)顯示，電阻R1旁邊是輸入點(diǎn)，T處連著一個(gè)光電耦合開關(guān)，光電耦合開關(guān)的另一端連接著+5V電壓。光電耦合開關(guān)的作用是起到光電隔離的作用，以保護(hù)電源和元器件設(shè)備。同時(shí)內(nèi)部電路經(jīng)過(guò)濾波輸入到節(jié)點(diǎn)A。其與直流輸入內(nèi)部電路的區(qū)別在于電流源的區(qū)別，一個(gè)為直流，而此處為交流電源。（a）直流輸入電路（b）交流流輸入電路圖2-6PLC輸入端口的內(nèi)部電路圖2.3機(jī)械手PLC選擇及參數(shù)采取西門子S7200作為機(jī)械手的控制系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的編程。我們將所采取西門子S7200的主要參數(shù)列在下表2-1中。表2-1西門子S7200的主要參數(shù)表工作電源24VDC模擬輸入-10V~10V輸入點(diǎn)數(shù)24最大負(fù)載9W輸出點(diǎn)數(shù)24輸出電壓規(guī)格30VDC輸入信號(hào)類型直流（開關(guān)）量晶體管允許最大電流0.3A/點(diǎn)輸入電流24VDC5mA2.4機(jī)械手電機(jī)的選用驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置的動(dòng)力來(lái)源于電機(jī)，這里我們驅(qū)動(dòng)動(dòng)力選取的是電動(dòng)。采取常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)為負(fù)載提供動(dòng)力。這里電機(jī)的選取分三大類，豎直方向的電機(jī)，水平方向橫軸的電機(jī)以及夾持方向的電機(jī)。根據(jù)實(shí)際過(guò)程中不同的工作需求和承載需求，我們選取不同類型的電機(jī)去匹配。豎直方向的承載著整個(gè)機(jī)械手和被夾爪的物體工裝質(zhì)量，為了滿足機(jī)械手在生產(chǎn)線上更多的適用工作范圍，所選取的電機(jī)的功率應(yīng)盡可能大。水平橫移方向的電機(jī)控制機(jī)械臂的左右運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際過(guò)程中承受的載荷較小，主要是用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)中的滾動(dòng)螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的夾持機(jī)構(gòu)的張緊和松開是由電機(jī)進(jìn)行控制的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)產(chǎn)生的力需要滿足足夠大的壓力條件，保證被夾物體在水平移動(dòng)過(guò)程中受到微小振動(dòng)而不發(fā)生掉落。但是相對(duì)于上述兩種情況下，所需要的夾持力最小，同時(shí)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力要求最小。步進(jìn)電機(jī)的工作原理是當(dāng)控制器輸入電脈沖信號(hào)到電機(jī)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)就會(huì)在脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移（即步距角），通過(guò)電機(jī)本體軸的選擇進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外界物體。我們可以在控制器中控制輸出的脈沖的頻率和個(gè)數(shù)去達(dá)到將工件精確送到指定位置的作用。在電機(jī)的加速和減速階段，目前主流的算法有S型和梯型加減速算法兩種，采取合適的算法保證對(duì)應(yīng)著不同的加減速要求保證其能平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)要求，從而實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以分為分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。這三類電機(jī)都有著不同工況下的適用要求，永磁式步進(jìn)電機(jī)其體積和轉(zhuǎn)矩都較小，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的輸出，但對(duì)應(yīng)的噪聲和波動(dòng)都比較大。而混合式步進(jìn)電機(jī)則結(jié)合了上述二者的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合了體積和轉(zhuǎn)矩的需求。每個(gè)電機(jī)根據(jù)需求可以繼續(xù)劃分起步距角，可以在對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器中進(jìn)行細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步距角的調(diào)整根據(jù)綜合情況，我們對(duì)各個(gè)部位的電機(jī)選取，做出如下選擇。機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)我們選取的步進(jìn)電機(jī)的機(jī)型號(hào)：28HS2806A4--XG04，步距角：1.8。，電流：0.6A靜力矩4.5N.cm|減速比1:04，電壓為DC5V—DC12V。豎直方向的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為57BYGH56-401A，額定電流:3A，靜力矩:1.26N.m，驅(qū)動(dòng)電壓:12-36V(典型值24V)，尺寸:57*57*56mm，控制方式:脈沖控制，輸出轉(zhuǎn)速:空載1000rpm(負(fù)載600以內(nèi))。水平橫移方向的電機(jī)型號(hào)為42BYGH33-0956A，工作電壓為4V,工作電流為0.95A，其最大靜力矩22Nm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為35gcm3。第3章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1PLC運(yùn)動(dòng)的控制要求機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)在上述的第二章部分中已經(jīng)闡述，這里我們將對(duì)其動(dòng)作進(jìn)行相應(yīng)的劃分和描述。機(jī)械手的動(dòng)作是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，機(jī)械手的上升、下降、左平行移動(dòng)、右平行移動(dòng)等動(dòng)作是通過(guò)電機(jī)對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)完成。機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)是通過(guò)控制手指機(jī)構(gòu)的左移和右移完成的，也是由電機(jī)發(fā)出信號(hào)完成控制。對(duì)某個(gè)工藝流程我們進(jìn)行動(dòng)作分析，首先是機(jī)械手的初始位置在坐標(biāo)原點(diǎn)處，當(dāng)控制面板上的按下按鈕被按下時(shí)，機(jī)械手受到豎直方向電機(jī)的脈沖驅(qū)動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)到工件的合理位置后同時(shí)機(jī)械手指的兩端受到電機(jī)信號(hào)的作用向內(nèi)收緊，形成夾緊工件的動(dòng)作；接著機(jī)械手進(jìn)行豎直方向的向上運(yùn)動(dòng)，水平方向的電機(jī)開始工作，形成右移的行為動(dòng)作，通過(guò)光電傳感器的檢測(cè)或者程序編程的位置定位，感應(yīng)到到達(dá)指定工作臺(tái)上方時(shí)，將產(chǎn)生向下的豎直運(yùn)動(dòng)；豎直方向的電機(jī)開始工作，進(jìn)行下降的動(dòng)作指令，到達(dá)指定位置后，豎直電機(jī)停止工作；然后夾緊手指的電機(jī)向右側(cè)松開，將工件放到指定位置。如此完成一個(gè)周期的過(guò)程，相關(guān)位置的限位是由對(duì)應(yīng)的限位開關(guān)進(jìn)行控制的，而夾緊和松開的動(dòng)作是由具體的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)的。簡(jiǎn)單的過(guò)程可以描述為機(jī)械手下降—夾緊—工件—機(jī)械手上升—右移—下降—夾緊工件—機(jī)械手上升—右移—下降——松開工件—上升——左移—回到原點(diǎn)。如此是一個(gè)周期，重復(fù)上述動(dòng)作即可連續(xù)不斷地對(duì)工件進(jìn)行裝夾移動(dòng)的動(dòng)作過(guò)程。3.2PLC控制系統(tǒng)的硬件連接PLC的IO分配表如下表3-1所示：其中輸入節(jié)點(diǎn)做了17個(gè)，輸出節(jié)點(diǎn)做了5個(gè)輸出。以滿足機(jī)械手控制程序的要求。根據(jù)實(shí)際的控制需求，我們選取小型的PLC即可滿足控制需求。針對(duì)機(jī)械手的實(shí)際控制要求，我們分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。其中自動(dòng)模式中又細(xì)分為單次運(yùn)行模式和連續(xù)運(yùn)行模式這兩種。針對(duì)輸入信號(hào)，首先是位置檢測(cè)信號(hào)有四個(gè)輸入端子，下限位、上限位、左限位、右限位等四個(gè)。檢測(cè)工作臺(tái)是否存在元件，采用光電開關(guān)作為檢測(cè)需要一個(gè)輸入端子。手動(dòng)操作方式下，需要設(shè)置上升、下降、左移、右移、夾緊、放松等6個(gè)輸入端口。設(shè)置了一個(gè)回原點(diǎn)的按鈕，需要一個(gè)輸入端子?？刂品绞缴嫌袉尾?、單周期、連續(xù)、手動(dòng)等四個(gè)按鈕，需要四個(gè)輸入端子。啟動(dòng)開始一個(gè)輸入端子，緊急情況下制動(dòng)需要一個(gè)停止按鈕占據(jù)一個(gè)IO輸入端口。針對(duì)輸出信號(hào)，PLC的輸出信號(hào)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速等情況，機(jī)械手需要6個(gè)動(dòng)作，分別是下行、上行、夾緊、松開、左行、右行等6個(gè)動(dòng)作。對(duì)應(yīng)著需要六個(gè)輸出端口進(jìn)行控制?？紤]到后續(xù)如果有其他情形出現(xiàn)，需要預(yù)留出相應(yīng)的輸入輸出端口以備用。綜上我們選取的是輸出輸入端口各為24個(gè)點(diǎn)，選取的PLC型號(hào)是S7-224XP。相關(guān)參數(shù)在此就不再過(guò)多贅述。[5,6]表3-1PLC的IO分配輸入輸出I0.1下限位I1.2夾緊Q0.0下行I0.2上限位I2.0手動(dòng)Q0.1夾緊I0.3右限位I2.1回原點(diǎn)Q0.2上行I0.4左限位I2.2單步Q0.3右行I0.5上升I2.3單周期Q0.4左行I0.6左行I2.4連續(xù)Q0.5松開I0.7松開I2.6啟動(dòng)I1.0下降I2.7停止I1.1右行 圖3-1PLC外部接線圖如上圖所示為PLC外部接線圖,根據(jù)上述的PLC端口分配，進(jìn)行PLC外部硬件的連線圖，具體的連續(xù)圖如上圖3-1所示。3.3控制程序程序總的流程圖如下圖3-2所示：其中M0.0開始，M2.0對(duì)應(yīng)I2.6開始啟動(dòng)。M2.1對(duì)應(yīng)著I0.1M2.2連接著Q0.2上升M2.3對(duì)應(yīng)著I0.2連接著Q0.4左行，M2.4對(duì)應(yīng)著I0.4連接著Q0.0下降M2.5對(duì)應(yīng)著I0.2連接著Q0.1下降到下限位。M2.6連接著Q0.2上升，M2.7連接著Q0.3表示右行。M0.M0.0M2.0Q0.0M2.0Q0.0MM2.1SQ0.1M2.2M2.2Q0.2M2.3M2.3Q0.4 MM2.4Q0.0MM2.5RQ0.1M2.7M2.7Q0.3M2.6Q0.2圖3-2PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的程序控制框圖為了方便實(shí)際當(dāng)中應(yīng)用，我們?cè)O(shè)置了自動(dòng)工作模式和手動(dòng)工作模式，對(duì)自動(dòng)工作模式又進(jìn)行劃分，分為單周期模式和連續(xù)工作方式。主程序的PLC程序設(shè)計(jì)框圖如下所示;圖3-3主程序框圖在網(wǎng)絡(luò)1中的框圖是手動(dòng)選擇的輸入端口I2.0設(shè)置為手動(dòng)模式，輸入端口I2.1設(shè)置為回原點(diǎn)。其中網(wǎng)絡(luò)四中的連續(xù)對(duì)應(yīng)著循環(huán)操作，即連續(xù)工作方式，單周期就是按一次起動(dòng)就執(zhí)行一個(gè)周期，單步就是按一次起動(dòng)只執(zhí)行一步，即單步執(zhí)行。下面進(jìn)行自動(dòng)工作方式子程序的闡述，自動(dòng)程序分為單周期程序和連續(xù)自動(dòng)程序兩種：自動(dòng)程序工作模式下，先開始確保開始時(shí)候機(jī)械手處于原點(diǎn)狀態(tài)，如果不是的話，先按下回原點(diǎn)的PLC輸入端口進(jìn)行回位。程序處于初始狀態(tài)時(shí)候，先執(zhí)行下降動(dòng)作，下限光電檢測(cè)開關(guān)檢查到機(jī)械手達(dá)到相應(yīng)位置時(shí)機(jī)械手夾緊工件，然后執(zhí)行上升動(dòng)作，當(dāng)頂部的光電開關(guān)信號(hào)檢測(cè)到機(jī)械手到達(dá)頂部位置就使能機(jī)械手作橫向運(yùn)動(dòng)，工件到達(dá)工作臺(tái)的上方。當(dāng)檢測(cè)到右工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)，機(jī)械手方可下降。機(jī)械手將物件放到右工作臺(tái)上后，機(jī)械手反向運(yùn)行，回到初始點(diǎn)。[7,8]在選擇“連續(xù)”方式時(shí)，可以在任意時(shí)刻按下停止按鈕。一旦按下“起動(dòng)按鈕，M0.7得電，再按下‘“停止’按鈕后，M0.7失電。如果選擇“單步方式，則按一下“起動(dòng)就執(zhí)行一步，在其它方式下M0.6始終得電，因此M0.6就是“單步方式的標(biāo)志。一次循環(huán)(M2.7)后，又回到原點(diǎn)位置(I0.3)，如果沒(méi)有按過(guò)‘停止”按鈕，又不是在“單步”(M0.6)方式下，則進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，即再下降(M2.0)抓取貨物，在初始狀態(tài)M0.0，并且已經(jīng)在原點(diǎn)M0.5，此時(shí)按下“起動(dòng)按鈕，則先下降(M2.0)抓取貨物。前提是在“連續(xù)”或“單周期”方式下。下降到相應(yīng)位置后就要夾緊，進(jìn)行抓取動(dòng)作。抓到（M2.1）并抓緊（T37）貨物后，就上升（M2.2）。上升到位（I0.2）后，進(jìn)入左行（M2.3）。左行到位（I0.4）后，轉(zhuǎn)入下降M2.4下降到位(10.1)后松開機(jī)械手，將貨物放下(M2.5)放下貨物后(T38)，上升(M2.6)準(zhǔn)備回原點(diǎn)。上升到位(10.2)后，就右行(M2.7)，右行回到原點(diǎn)?；氐皆c(diǎn)(I0.3)，若選擇了“單周期方式(M0.7=0),則回到M0.0步等待下一次起動(dòng)。在M2.1步抓緊貨物M2.5步為放下貨物，M2.2步和M2.6步為上升M2.3步為左行，M2.3步為右行至此，基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)就已完成。先是介紹主程序和自動(dòng)控制程序。針對(duì)自動(dòng)控制程序中的單周期工作模式和連續(xù)工作模式進(jìn)行區(qū)分，對(duì)應(yīng)著不同的梯形圖程序段。在總的主程序框中，分別將手動(dòng)操作程序梯形圖和自動(dòng)程序梯形圖嵌入就可得到完整的控制程序圖。3.4設(shè)備調(diào)試程序設(shè)計(jì)完成之后，需要進(jìn)行相應(yīng)的上級(jí)調(diào)試，以便查出是否有錯(cuò)誤及設(shè)計(jì)上的缺陷。首先用電腦在STEP-7-Micro/WIN編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，然后點(diǎn)擊運(yùn)行查看其對(duì)是否有錯(cuò)誤，如有錯(cuò)誤需要對(duì)其指出報(bào)出的錯(cuò)誤進(jìn)行修改。核查程序無(wú)誤后將其下載到可編程控制儀器，按照上述圖中給出的硬件連續(xù)圖和端口配置圖將線連好。確保各個(gè)部分的連線無(wú)誤后，按下啟動(dòng)按鈕，觸點(diǎn)單次運(yùn)行動(dòng)作，查看上行、下行、左行、右行、夾緊、松開的動(dòng)作是否到位。最后查看自動(dòng)模式下連續(xù)工作和單周期模式工作是否正常。[9,10,11]結(jié)論本文首先對(duì)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括各個(gè)關(guān)鍵部件的功能和作用。其次，針對(duì)機(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行復(fù)雜動(dòng)作控制的需求，對(duì)PLC進(jìn)行了相應(yīng)的背景介紹和論述，說(shuō)明了其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的重要性。PLC可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，精確控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)作速度，確保其按照要求完成各項(xiàng)任務(wù)。在確定了PLC的控制方案之后，需要進(jìn)行相應(yīng)的IO分配和梯形圖程序的編程。通過(guò)合理的IO分配和程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各項(xiàng)功能，并確保其在工作過(guò)程中穩(wěn)定可靠?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械手的要求也越來(lái)越高。利用PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。未來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC控制技術(shù)將會(huì)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更加重要的作用，為生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)更多的便利和效益。參考文獻(xiàn)王素粉,田子欣.數(shù)控拉伸生產(chǎn)線上下料機(jī)械手的研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2021(04):90-92.虞小明.PLC控制機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2019(01