关于PLC控制的智能机械手设计探究

郭健 张鹏

摘要：本文重点就PLC控制的智能机械手进行了设计，所设计的取料机械手通过机械、气动、电气和PLC控制系统的综合设计，可以广泛应用于各大行业的取料领域，实践表明，该系统可以快速、准确的对控制要求做出反应，具有可靠性高、灵活性强、稳定性好，可大大提高生产效率。

关键词：PLC控制；智能机械手；设计

智能仿生机械手用智能手机的iOS应用程序进行控制的一款灵敏系数很高的一种仿生手。2013年帕特里克·凯恩成为英国首位装配智能仿生手的人。这款机械手名为i-limb，可以用智能手机的iOS应用程序进行控制。帕特里克還能控制5个独立供能的手指，其中大拇指还能旋转。该款机械手是苏格兰触摸仿生（Touch Bionics）公司的最新产品。目前，在国内大部分中小型轴承加工企业中，轴承毛坯的冲压、冲孔加工仍靠人工完成，不仅劳动强度大、生产成本高、效率低，而且还存在着安全隐患和产品质量问题；再加上大部分企业车间布局不统一，难以同时满足所有企业的自动化需求。因此，基于上述问题，设计一种用于轴承加工的智能机械手势在必行。

一、智能机械手的结构

智能机械手的总体装置分为两道工序，一道工序专门用于上料，主要包括气动手指、上料垂直气缸、上料伸缩气缸；一道工序专门用于下料，主要包括翻转机构、旋转平台、下料伸缩气缸。两道工序互不干涉，相对于上下料由一道工序完成的机械手，大大节省了时间，提高了效率。在机械手上装有两个红外光电开关，一个开关用来检测是否有料，若有料，机械手就按照指令一步一步动作，完成轴承毛坯的加工，若没料，机械手会等待毛坯到位之后再动作；另一个开关是用来检测冲杆是否将工件带起，若没带起会发出警报，等待工作人员处理。主要元件功能如下：气动手指实现工件的夹紧和松开，装有夹位、松位限位开关；上料垂直气缸实现上升和下降动作，装有上位、下位限位开关；上料伸缩气缸控制机械手的伸出和收缩，实现工件的上料动作，装有前位、后位限位开关；翻转机构用于工件的接取，翻转气缸动作将工件翻转掉到指定位置；旋转平台通过步进电机实现顺时针、逆时针的旋转，装有左侧、右侧限位开关。

二、智能机械手工作过程

气动手指和气缸均由220 V单电控二位五通电磁阀控制，电磁阀通电，气缸伸出、手指夹紧；电磁阀断电，气缸收缩、手指松开。將流量阀分别装在气缸和手指的进气口和出气口，通过流量阀控制气体的流量和速度，来调节气动手指和气缸的动作速度。初始状态：气动手指松开，上料垂直气缸、上料伸缩气缸、下料伸缩气缸、翻转气缸都处于收缩状态。工作过程为：（上电）→回原点→（启动） →工件到位→上料垂直气缸下降→气动手指夹紧工件→上料垂直气缸收缩→伸缩气缸伸出斗气动手指松开→伸缩气缸收缩→压力机冲压工件，同时下料伸缩气缸伸出→下料伸缩气缸收缩→旋转平台逆时针旋转900→翻转气缸伸出→旋转平台顺时针旋转900，同时翻转气缸收缩，如此循环。

三、 PLC控制系统的设计

（一）PLC控制系统

分析生产过程的工艺要求，确定控制系统要实现哪些功能要求；进行控制器、L / O模块、电源模块、控制模式、数据通信模块、通信模式的选择；确定数字量、模拟量输人、输出点的个数，列出PLC输入输出分配表；画出控制柜接线图，根据接线图进行现场接线；根据顺序功能图编写程序进行调试，若是程序问题修改程序，若是硬件问题解决硬件问题，直到调试成功。

（二） PLC软件设计

系统设有手动、连续、单周期、单步和回原点三种工作方式。机械手为初始状态时称为系统处于原点状态，在进入手动、连续、单周期和单步工作方式之前，系统应处于原点状态。机械手从初始状态开始，到夹紧工件、接到工件并将其放到指定位置的过程称为一个工作周期，在自动工作方式下，按下启动按钮，机械手反复地工作，但按下停止按钮机械手并不会立即停止工作，而是完成一个周期的工作后返回并停留在初始步。单步操作常用于系统的调试，在单步工作方式下，按下启动按钮系统只完成一步的动作，再次按下启动按钮，系统接着完成下一步动作。对于本系统而言，当接通I0.3时，系统进入单步工作方式，按一下启动按钮，上料垂直气缸下降，再按一下启动按钮，手指夹紧工件，如此一步一步的动作。连续工作方式的顺序功能图如图1所示，将选择开关打到连续工作方式位置，I0.1为1状态，系统进入连续工作方式。MO.5为原点条件，在初始步为活动步的情况下按下启动按钮I0.5，红外光电开关检测是否有料，若有，则I2.3为1状态，M2.O变为1状态，上料垂直气缸下降。同时，控制连续工作方式的线圈M0.7“通电”并自保持。

（三） PLC控制步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

四、结束语

本文介绍了一种基于PLC控制的工业取料机械手，设计了取料机械手的机械结构和气动系统，并给出了PLC控制系统的软硬件设计和步进电机运行速度控制设计，该系统应用于各大行业，具有稳定可靠的性能，提高了生产效率。

参考文献：

[1]杨志刚.轴承加工PLC控制系统研究[J].中国高新技术企业，2015.

[2]王月芹.基于PLC的机械手控制系统设计[J].液压与气动，2016.