可编程控制器在机器人手中的应用

蔡基锋

摘要：机器人手主要包含了机械原理、液压气动技术、自动化控制技术、计算机、传感器等多项先进的技术集成于一体的自动化装置。机器人手是提高生产自动化、改善劳动条件、确保生产安全、提高生产效率与质量的有效手段之一。本文主要介绍的是可编程控制器（PLC）的概念与控制模型的设计;同时也阐述了PLC在机器人手中的应用及机器人的原理与设计流程。文中介绍了机器人手的动作构成和工作状态，并给出模式选择方法，文中着重阐述了机器人手的控制系统，从而说明了可编程控制器在机器人中的广泛应用。在当今的时代，机器人已经广泛地应用于机械制造中，可以代替人类高质量地完成大量工作，机器人与其他的智能化设备在空间、海洋等探索中会获得非常广泛的发展前景。

关键词：PLC;机械手;机器人

中图分类号： TP18        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）03-0192-03

Abstract： The robot hand mainly includes a number of advanced technologies such as mechanical principle， hydraulic and pneumatic technology， automation control technology， computer， sensor， etc.， integrated into one automation device. Robot hand is one of the effective means to improve production automation， improve working conditions， ensure production safety， and improve production efficiency and quality. This article mainly introduces the concept of programmable logic controller （PLC） and the design of the control model; it also explains the application of PLC in the hands of a robot and the principle and design process of the robot. The article introduces the action composition and working status of the robot hand， and gives the mode selection method. The article focuses on the control system of the robot hand， which explains the wide application of programmable controllers in robots. In today's era， robots have been widely used in machine manufacturing and can replace humans to complete a large amount of work with high quality. Robots and other intelligent equipment will have a very broad development prospect in the exploration of space and ocean.

Key words： PLC;manipulator;robot

1 可編程控制器

1.1 可编程控制器的概念

可编程控制器（Programmable Logic Controller）我们通常称它为PLC。PLC是通用的自动控制装置，它是以微型处理器为核心并且通过继电顺序控制的。PLC是通过数字、模拟的信号输入输出来控制各种机械运动和生产流程，并且通过类似于计算机一样的逻辑运算、顺序控制、定时、数学运算等指令来控制各种设备的。PLC具有易扩展、高可靠、抗干扰等特点。它在自动化控制系统中具有很重要的地位。

1.2 PLC控制模型的硬件设计

在PLC中硬件设计是具有很重要的地位的。PLC控制系统的各种性能是与它的存在有着很密切的关系，例如安全性、稳定性和可靠性。其主要由输入和输出两部分电路组成。

1）PLC控制系统的输入电路设计：PLC的供电电源通常是交流220V电压，输入电路电源，一般采用DC 24V，要做好预防短路的措施，不然会影响到系统运行。

2）PLC控制系统的输出电路设计：根据生产的需求，PLC应用于高频率的动作，并且响应的速度要快时，采用晶体管输出。如果要达到每分钟六次以下的输出频率，并保证输出的电路简单、抗干扰能力强并且负载能力强的话，应该首先考虑继电器输出。

2 机械手

2.1 机械手概念

机器人一般是由机器体、控制器、驱动器、传感器组成，它能够做一些类似人的操作，能够完成各种自动化的作业操作的设备。它对于提高工作效率、保证工作质量和改善劳动条件起到了非常关键性的作用。现在衡量一个国家的自动化水平，机器人的生产应用的发展情况是很关键的部分。在生产中应用机械手能够有效地提高生产的水平，节约劳动成本，保证生产安全，尤其是在恶劣的环境中，人为操作危险的时候，机械手能够起到很好的代替作用。所以在焊接、锻造、机械加工等重要的工业生产中已经具有更广泛的应用。

现在的技术水平越来越发达，机械手的构造越来越简单化，也同时能够独立的根据程序的设置控制来重复的完成一项工作，机械手能够很快地改变工作的流程，具有较强的适应能力，因此在科技发展迅速的时代，应用越来越广泛。

机械手也分为各种类型，如液压机械手、气压机械手等。

液压机械手是通过液压油提供动力执行各种动作。液压机械手动作较慢、运转平稳、力量很大。气压机械手由气压传动，气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制。

液压技术通常有以下优点：

（1）液压设备产生的惯性大，这样当突然停止停车或过量载重的时候，不会有较大的冲击力，更安全﹔

（2）可以实现各种速度的调节，能够在给定范围内自动的调节速度﹔

（3）可以很好地改变方向，在不改变电机旋转方向的条件下，可以实现有效的重复的旋转与直线运动的转换;

（4）在空间布局上液压器和马达之间用油管相连接不受彼此的限制;

（5）采用液态介质，配件之间能够起到很好的润滑作用，使配件之间的摩擦力小，增加的使用的寿命;

（6）自动化的程度很高，操作控制简单;

（7）过载时能够有效地起到保护作用。

2.2 机械手工作原理

机械手在工作的过程中，是通过PLC发送指令给电磁阀，电磁阀在动作的时候将信号发送给液压机，液压机接收到信号后，将动力传送给机械阀，机械手获得动力后进行一系列的操作动作。PLC在根据实际的操作情况，将指令传递到下一步操作中。

2.2.1 执行机构

执行机构是类似于人体手、手腕、手臂的构造，并且还有立柱与其他的零件组成的，有的甚至还包括腿部部件，能够行走。

1）手部

机械手手部是类似于人手的重要部位，机械手的手部是用来抓取物品的。机械手的手部根据它在执行工作的过程中根据不同的拿起方式我们通常把它分为吸附式和夹持式两种手部。然而我们也可以通过手指在运动时候的方式将它归类为回转型的手指和平移型的手指。在两种不同类型的手指中回转型的手指构造简单生产容易，所以当前在机械手中应用比较广泛。平移型的手实际应用的比较少，其构造复杂，但是平移型的手指在拿圆形物体时不会因物体的大小而影响到机械手轴心的位置，所以平移型的手指一般应用于直径变化较大的物体上。一般机械手的手指结构会根据其应用到的环境决定的。传力机构是通过手指握力操纵想要拿取的物体的。

现在工业生产中比较常见的传力结构通常有滑槽杠杆式的和连杆或斜面的杠杆式传力机构，齿轮齿条式的和丝杠螺母弹簧式的传力机构通常也是应用比较广泛的。

2）手腕

手腕是用来连接手与手臂之间的部件，通过手腕可以调整拿物体的方位。

3）手臂

手臂是用来支撑手拿物体的重要部分。手臂可以带动手指去拿物体，同时可以按照指令将物体放到需要的位置。驱动手臂的运动部件与动力源互相配合着会使手臂做出各种动作。

4）立柱

在机械手工作的时候，手臂的旋转与方向动作都是与立柱有着很大的关系的，手臂的支撑就是通过立柱完成的。机械手的立柱有时也可以横向进行移动，我们称这样的立柱为可移动式立柱。

5）機座

在机械手中机座是一个非常重要的部件，它将支撑连接机械手各个部件，同时机械手中的部件是都安装在它的身上。

2.2.2 驱动系统

机械手的各种动作的执行是由驱动系统来完成的。它是由动力、调节、辅助装置组成的。生产中通过给机械手提供动力的不同方式我们可以归类为机械式驱动系统、液压式驱动系统和气压式驱动系统。这3种不同的动力方式都有着自己独特的优缺点。

2.2.3 控制系统

机械手根据相应指令对应做相关的操作时都是通过控制系统来完成的。程序控制和电气定位两个系统共同构成了当前最普遍的工业应用的机械手。本文介绍的机械手控制程序是由PLC构成，用PLC来支配整个机械手的运动程序，同时存储相应的指令去按照系统发出的指令信息执行对应的动作，PLC还可以监视机械手的动作，如果当机械手的动作出现错误时或存在故障的时候PLC可以对机械手的动作进行监视并发出警告。

2.2.4 位置检测装置

位置检测装置是用来检测机械手在做相应操作时，达到指定位置后发出信号反馈给控制系统，而控制系统会将检测装置发送过来的信息与设置的位置信息做对比，然后通过控制系统进行更改调整，最后能够准确地使机械手达到对应的位置。

3 机械手软件设计

3.1 软件设计流程

机械手的工作流程一般依照以下顺序执行：拿、运、放与恢复原始状态。机械手的手臂在伸出到指定位置时，传感器在检测到相应位置，手指松开，然后手臂下沉到最低位置，收紧手指手抓，这个整个过程大约耗时1秒钟，到这个过程结束后，整个抓取工作完成。

机械手抓紧物体后，手臂在最低位，有限位传感器进行发出信号，然后去使手臂上移，手臂上移到指定位置收回手臂，当手臂收缩到最后位置后旋转到指定位置，并下沉到具体位置，在要求指定区间，打开手抓，完成物体放置，整个过程限制到1秒钟完成。当整个过程完成后，机械手臂会恢复初始状态。

3.2 抗干扰设计

在整个工业电磁环境中，为了确保机械手的正常运转，应该避免或者少受电磁造成的干扰，为了避免干扰就需要对设计做出有效的抑制操作，抑制干扰源或者隔断传播的渠道来增强设备的运行抗干扰能力是当前大多数设备的抗干扰途径的有效方式。

为了抗干扰我们这里可以使用高性能的电源来控制电网中存在的干扰信号，同时也可以在信号传入计算机之前，在信号线与地之间增加电容，来减少造成的干扰，并且在电容两极增加滤波器，减少干扰。

4 结束语

本文主要介绍了PLC的概念、PLC的硬件设计、PLC在机器人手中的应用以及工作原理。 本文结论如下：

1）机械手使用液压技术可适用于各种复杂的环境，如高温、粉尘等恶劣环境。

2）用PLC作为控制器，优化了机械手群的控制系统。

3）本文设计的机器人手，结构清晰易于实现，具有广泛的应用性。

4）用PLC来控制每个机械手能完成类似于人的各项动作。

参考文献：

[1] 竺志超，陈元斌，韩豫.非标自动化设备设计与实践 毕业设计、课程设计训练[M].北京：国防工业出版社，2015.

[2] 殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 丁炜，魏孔平.可编程控制器在工业控制中的应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

【通联编辑：唐一东】