第２６卷第１期 ２０１４年３月 宁波工程学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＩＮＧＢＯ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ Ｖ０１．２６ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－７１０９．２０１４．０１．０１４ 基于ＰＬＣ控制的多轴机械手研制 丁张坚，郑祥明，胡 杰，汪启厚，庄卢阳，陈耀盛 （宁波工程学院，浙江宁波３１５２１１） 摘 要：本项目研制多轴机械手实训设备，该机械手采用ＰＬＣ控制，通过编制程序控制器程序，对直流电机和步进 电机、电磁阀、行程开关、气动元件进行复杂的开关量控制，从而实现机械手对物体进行抓取、移、放．完成整套工件运送 工作。 关键词：ＰＬＣ；机械手；真空吸盘 中图分类号：ＴＨ１３８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—７１０９（２０１４）０１—００６９—０４ 目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势。更重要的是将机械手、 柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国内机械手 主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，以减轻劳动强度，改善作业条件。随着社会生产不断进步和人 们生活节奏的不断加快，机械手在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能得到 广泛的运用。可编程序控制器（ＰＬＣ）是工业控制中应用最广泛最可靠的控制器【】１。本项目通过对机械手 的组装和ＰＬＣ系统的编程，实现多轴机械手可靠稳定的搬运工件。通过本项目的研制，研制人员提高了 自主动手能力，掌握机电一体化综合设计技能，学习和掌握ＰＬＣ语言的编写，且借此可以了解学习国内 外机械手的发展水平。 １总体部分 如图１所示，本项目研制的机械手教学实训设备的总体结构由机械部分和电气部分组成。 １旋转底盘Ｚ轴 ２旋转编码器 ３卡抓＋真空吸盘 ４直流电机 ５ Ｘ、Ｙ轴丝杠组 ６步进电机 ７气动电磁换向阀 图１ ＰＬＣ多轴机械手总体结构图 收稿日期：２０１３—０９—０９ 作者简介：丁张坚，男，宁波工程学院机械学院机电专业２０１０级学生；指导教师：郑祥明，男，宁波工程学院机械学院副教授。 基金项目：浙江省２０１１年度高校实验室工作研究立项项目《机械基础系列实验教学体系改进与创新》的研究成果（项目 编号：Ｙ２０１１０６）。 ７０ 宁波工程学院学报 ２０１４年第１期 １．１机械部分 机械手的机械部分总体结构由夹持部分、传动机构和旋转机构所组成。（１）夹持部分使用机械夹手 与真空吸盘相结合的结构夹持工件，可根据被夹持工件的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头和真 空吸盘，以适应操作。真空吸盘一般用橡胶制造，主要作用是将工件吸合便于搬运，最大限度的保护工 件的外观，还具有易使用、零污染等优点；（２）传动机构由ＸＹ轴滚珠丝杠副组成，滚珠丝杠副传递力矩， 完成工件在ＸＹ轴方向上的往复运动，其利用滚珠运动的原理可以具有较高的重复精度，实现运动的微 进给，从而保证更准确的将运送工件至指定地点［２１；（３）旋转机构ｚ轴由底座和机械手所组成，旋转机构 扩大了机械手的动作范围．提高了机械手在搬运过程中的灵活性。 １．２电气部分 ＰＬＣ控制多轴机械手电气部分主要由变压器，步进电机驱动器，直流电机驱动器，ＰＬＣ主机模块， 控制面板等部分组成ｌ ３ｌ。（１）变压器作用是把２２０Ｖ的交流电压转换为电机与ＰＬＣ工作的２４Ｖ直流电 压；（２）Ｘ轴Ｙ轴直线运动由步进电机实现，步进电机能够达到比较高的重复定位精度。步进电机驱动 器将输入的电信号（或者脉冲信号）通过模数处理，转变为电机的步进运动与增量位移，控制机械运动： （３）机械手有两个旋转动作，分别是抓手轴的正反旋转和旋转底盘Ｚ轴的正反旋转，其动作由直流无刷 电机带动，可回旋３６０。，无刷直流电机的驱动器采用２４Ｖ直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵 转保护等特点；（４）控制面板开关主要分为自动和手动两种模式。自动模式下，根据ＰＬＣ的编程顺序进 行各种动作并循环；手动模式主要是实现点动。且控制面板上采用复合开关按钮，节约ＰＬＣ输入点位： （５）ＰＬＣ采用了逐步通电、同步断电的步进式控制设计，受控对象之间形成互锁，动作的是否执行取决 于前一步动作是否完成，若前一步未完成，则后一步无法执行。具有编程简单、维修方便、柔性化强等特 点，可在现场修改和调试程序，可根据生产要求随时改变［４１。 ２控制要求 １机械手 ２ ＸＹ轴滚珠丝杠副 ３转盘机构 逆 ４旋转底盘 图２机械手动作示意图 图２为本机械手教学实训模型的动作示意图，其工作路径是将工件从Ａ点搬运至Ｂ点。机械手运 行时，机械手首先要返回至设定的原点位置，之后通过ＸＹ轴的滚珠丝杠、底座和腕部的旋转运动至工 件所在位置并夹持工件回到原点，然后将工件准确的运送至指定位置。 ３控制部分设计 基于控制要求，合理地分配ＰＬＣ输入、输出点位。如表１所示为ＰＬＣ的输入输出各点位的分配。 丁张坚郑祥明胡杰汪启厚庄卢阳陈耀盛：基于ＳＱＬ ＳＥＲＶＥＲ的ＳＱＬ自动练习系统的设计 ７１ Ｈ Ｋ姗 Ｋ Ｋ Ｋ姗 ∞ｉ先将机械手进行复位操作。当机械手未到原位，此时ＰＬＣ输入电平信号跟脉冲信号ＣＰ一１给步进 电机横轴驱动器，连接横轴的步进电机反转，横轴往后缩，后缩到位后会碰到后限位开关ＳＱ３，ＳＱ３启动 一 一之后，主机就输人电平信号跟脉冲信号ｃＰ一２给竖轴驱动器，竖轴步进电机控制竖轴上升，上升到位后 会触碰到竖轴反限位开关ＳＱ４，ＳＱ４启动之后，主机输入旋转脉冲信号ＳＢ一０给直流电机驱动器３，４，完 成机械手的复位动作即ＹＵ２１和ＹＵ２２的动作【５ｊ。复位操作结束后，主机输入脉冲信号ＣＰ一１给横轴驱 动器，步进电机开始正转，横轴实现进给操作ＹＶ２，横轴进给到位时碰到正限位开关ＳＱ１，进给完成。机 械手收到主机发送电压信号，旋转至已定的角度，完成动作ＹＶ２０，这时气动电磁阀断电，机械手张开。 主机再同时输入电平信号跟脉冲信号ｃＰ一２给竖轴驱动器使步进电机开始反转，竖轴下降。当竖轴下降 至碰到限位开关时ＳＱ４，下降停止，电磁阀得电机械手夹紧。夹紧后，主机只输入脉冲信号ＣＰ一２给竖轴 步进电机驱动器，步进电机得电正转竖轴上升，碰到限位开关ＳＱＺ后，上升停止，启动横轴步进电机驱 动器脉冲ＣＰ—ｌ，步进电机得电开始反转，横轴缩回。碰到限位开关ＳＱ３后，ＰＬＣ发送旋转脉冲信号ＳＢ０ 给底盘，底盘正旋转到位。此时主机再次输入脉冲信号ＣＰ一１给横轴驱动器，横轴第二次向前伸出，碰到 限位开关ＳＱ１后停止。停止后主机输入电平和脉冲信号ＣＰ一２给竖轴驱动器２使得竖轴电机２反转使 竖轴再次下降，下降到位碰到竖轴正限位开关ＳＱ２停止，此时电磁阀断电，卡爪和真空吸盘放松，释放 工件，完成整套的工件运送工作。本机械手实训装置采用的ＰＬＣ具有高速运算能力和ＰＩＤ调节功能，同 时可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。图３为控制输出两路脉冲梯形图，可以控制两个方向的电 机同时运动，节省搬运时间。 Ｒ９０１３ ０ 卜＿１ＦＤ ＨＶ， 输出方式 ‘ 【ＦＤ ＨＶ， 开始频率 ‘ ［ＦＤ ＨＶ， 运行频率 ［ＦＤ ＨＶ， 上升、下降时间 。 【Ｆ１ ＤＭＶ， 发出脉冲数 输出ｆ，ｌ坐标图（共输出３８０００个脉冲） 【ＦＤ ＨＶ， 停止频率 。 ［Ｆ１６８ ＳＰＤ１， 第一通道输出 ’ ［ｖｏ ＨＶ， 。 【ＦＤ ＨＶ， 【ＦＤ ＨＶ， 。 【ＦＤ ＨＶ， ／ ＼ 。 【Ｆ１ ＤＭＶ， 【ＦＤ ＨＶ， ’ 【Ｆ１６８ ＳＰＤ１， 第二通道输出 图３输出两路脉冲梯形图 ｌ １ ∞ 一 一 ～叭 ７２ 宁波工程学院学报 ２０１４年第１期 ４结语 本项目研制的机械手系统稳定、使用方便、成本低，具有可编程、二次设计等开放式功能特点，对提 高学生的创新能力和综合实践能力有显著效果。 参考文献： 『１］谢克明．可编程控制器原理与程序设计［Ｍ］．北京：电子２１２业出版社，２００３：２３９－２３９． 『２］王月芹．基于ＰＬＣ的机械手控制系统设计［Ｊ］．液压与气动，２０１１（９）：４１－４３． 『３］秦常贵．基于ＰＬＣ的组合机床的电气控制系统设计（Ｊ］．机电产品开发与创新，２０１１（０３） ［４］徐杭．基于ＰＬＣ的机械手控制系统设计［Ｊ］。科技信息，２０１２（０４）． 『５］王红玲，胡万强．基于ＰＬＣ的工业机械手控制［Ｊ］．液压与气动，２０１１（０８）． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＤＩＮＧ Ｚｈａｎｇ—ｊｉａ】１，ＺＨＥＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｍｉｎｇ，ＨＵ Ｊｉｅ，ＷＡＮＧ Ｑｉ—ｈｏｕ， ＺＨＵＡＮＧ Ｌｕ—ｙａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｙａｏ—ｓｈｅｎｇ （Ｎｉｎｇｂｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｉｎｇｂｏ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，３１５２１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔｓ：Ｂｙ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｈｅ ＰＬＣ，ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ－ｐｕｒｐｏｓｅ ｒｏｂｏｔｉｃ ｈａｎｄ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｄｉｇｉｔａｌ ｖａｌｕｅｓ，ｔｈｅ ＤＣ ｍｏｔｏｒ，ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｖａｌｖｅｓ ａｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｏｆ ａｎ ｏｂｊｅｃｔ，ｓｕｃｈ ａｓ ｇｒｉｐｉｎｇ，ｍｏｖｉｎｇ ａｎｄ ｄｒｏｐｐｉｎｇ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｉｐｐｅｒ ｏｒ ｓｕｃｔｉｏｎ ｃｕｐ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｉｃ ｈａｎｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ，ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ｖａｃｕｕｍ ｃｈｕｃｋ
