0 引言

　二維通用機(jī)械手是一種可仿人操作、可自動(dòng)控制、重復(fù)編程、能在二維平面內(nèi)完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越高，一些重復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成不僅可提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)從業(yè)者身體造成傷害。

1 設(shè)計(jì)要求

　二維機(jī)械手的機(jī)械本體包括手指、手臂和軀干。像人手一樣，機(jī)械手的手指處于手臂前部，通過(guò)移動(dòng)、打開(kāi)和關(guān)閉三種基本動(dòng)作組合實(shí)現(xiàn)抓緊的動(dòng)作。手臂具有伸縮功能，可以調(diào)節(jié)手指到軀干的距離，同時(shí)可以將軀干的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作傳遞給手指。手臂伸縮與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的結(jié)合可以將手指移動(dòng)到工件的位置。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)架。

　本文的設(shè)計(jì)要求是：機(jī)械手開(kāi)始運(yùn)行后，首先進(jìn)行初始化。機(jī)械手的初始化包括三個(gè)動(dòng)作，手爪手指張開(kāi)到最大、手臂縮回到初始位置以及手臂橫縱方向歸零。為節(jié)省初始化的時(shí)間，要求這三個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。機(jī)械手運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)工件位置計(jì)算手臂伸縮電機(jī)步數(shù)、軀干旋轉(zhuǎn)電機(jī)步數(shù)，要求伸縮、旋轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行，將手指移動(dòng)到工件正上方5cm處。第二，手臂縱向下移至手掌上的傳感器檢測(cè)到工件。第三，PLC控制手指收緊至手指上的傳感器檢測(cè)到工件，暫停1s后機(jī)械手帶動(dòng)工件縱向上移5cm。第四，根據(jù)目標(biāo)位置計(jì)算手臂伸縮電機(jī)步數(shù)、軀干旋轉(zhuǎn)電機(jī)步數(shù)，將工件準(zhǔn)確安置到目標(biāo)位置；第五、延時(shí)1s后，手抓手指張開(kāi)到最大釋放工件。機(jī)械手開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)的運(yùn)動(dòng)。

2 設(shè)計(jì)方案

　本文設(shè)計(jì)的二維通用機(jī)械手共有4個(gè)自由度。依次為手臂前后伸縮、手臂上下移動(dòng)、軀干水平旋轉(zhuǎn)、手指的抓緊與松開(kāi)。因此，本文的設(shè)計(jì)要求可以總結(jié)為：1)手爪夾緊動(dòng)作。2)手臂伸縮運(yùn)動(dòng)。3)軀干旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　2.1 手爪夾緊動(dòng)作

　機(jī)械手的手爪實(shí)際上就是一個(gè)移動(dòng)的卡具。不僅要求卡具卡緊的力度適中，而且卡緊的速度、準(zhǔn)確度也要滿足需求。本文設(shè)計(jì)的手抓是由PLC控制手指的張開(kāi)和閉合。手指和手掌分別安裝傳感器負(fù)責(zé)感應(yīng)手指與工件的距離。

　2.2 M手臂伸縮運(yùn)動(dòng)

　手臂是連接手爪和軀干的主要部分。本文設(shè)計(jì)的手臂可執(zhí)行縱向移動(dòng)和前后伸縮運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)手臂伸縮和升降的運(yùn)動(dòng)。手臂伸縮和升降時(shí)，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)。由PLC發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)。絲杠、螺母結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)械手的傳動(dòng)中可以使機(jī)械手牢靠、準(zhǔn)確度高、效率高。

　2.3 軀干旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

　軀干是整個(gè)機(jī)械手的支撐機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)支撐手臂和手爪，同時(shí)可以自轉(zhuǎn)并帶動(dòng)手臂手爪在水平方向旋轉(zhuǎn)。軀干旋轉(zhuǎn)時(shí)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼盤，每旋轉(zhuǎn)三度發(fā)出一個(gè)脈沖，由傳感器檢測(cè)并送入PLC計(jì)算軀干旋轉(zhuǎn)的角度。同時(shí)，在軀干上裝有限位開(kāi)關(guān)，控制最大旋轉(zhuǎn)角度不能超過(guò)180度。

3 控制系統(tǒng)

　3.1 PLC的選擇

　對(duì)于本設(shè)計(jì)中的被控對(duì)象，要求選用的PLC系統(tǒng)與其他形式的控制系統(tǒng)相比，具有較好的性價(jià)比，使用和維修方便，PLC主機(jī)和配置、控制功能等必須能滿足被控對(duì)象的各種控制要求，PLC主機(jī)及配置必須是功能較強(qiáng)的新一代PLC機(jī)型。若采用三菱公司的PIC，則選FX系列，不選F1系列。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮將來(lái)工藝的變化和擴(kuò)展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量t確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對(duì)產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。在此，本文選用三菱FX1N來(lái)做控制核心。

　3.2 PLC梯形圖中的編程元件

　設(shè)計(jì)選用FXlN一60MR，其輸入繼電器(X)36點(diǎn)，輸出繼電器(Y)24點(diǎn)，輔助繼電器(M)384點(diǎn)，狀態(tài)繼電器(s)looo點(diǎn)，定時(shí)器(T)256點(diǎn)，計(jì)數(shù)器(C)，數(shù)據(jù)寄存器(D)等。

　特殊輔助繼電器：

　根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的要求，輸入、輸出分配如表1所示。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　機(jī)械手控制系統(tǒng)總體流程分為主程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和初始化程序共四個(gè)部分。主程序包含自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和初始化程序的共同部分，是每個(gè)程序都需要經(jīng)歷的設(shè)置。自動(dòng)程序包括單步控制程序和連續(xù)控制程序。如果控制方式設(shè)置為“手動(dòng)”方式，則PLC執(zhí)行完主程序后將跳過(guò)自動(dòng)程序，直接執(zhí)行“手動(dòng)程序”。如果設(shè)置為“初始化”方式，執(zhí)行完主程序后，執(zhí)行回原位程序。如果設(shè)置為“連續(xù)”方式，則只執(zhí)行主程序和自動(dòng)程序。

　4.1 主程序

　主程序流程圖如圖1所示，當(dāng)Y6復(fù)位(電磁閥松開(kāi))、后限位X21和上限位X17接通時(shí)，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機(jī)械手在原位。如果開(kāi)始執(zhí)行用戶程序(M8002為ON)、系統(tǒng)處于手動(dòng)或回原位狀態(tài)(X0或X1為ON)，那么初始步對(duì)應(yīng)的M10被置位，連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備。如果M0為OFF，M10被復(fù)位，系統(tǒng)不能進(jìn)入連續(xù)工作方式。指令ZRST是成批復(fù)位應(yīng)用指令，以防止系統(tǒng)從自動(dòng)方式轉(zhuǎn)換手動(dòng)方式，再返回自動(dòng)方式時(shí)出現(xiàn)兩種不同的活動(dòng)步。

圖1主程序梯形圖

　4.2 自動(dòng)操作程序

　自動(dòng)操作順序功能流程圖見(jiàn)圖2所示。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，按X4啟動(dòng)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到Sl，驅(qū)動(dòng)前伸Y3，當(dāng)?shù)竭_(dá)前限位使行程開(kāi)關(guān)X20，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S2，而S1自動(dòng)復(fù)位。驅(qū)動(dòng)手順轉(zhuǎn)Y7，X24接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S3，驅(qū)動(dòng)下降Y2，X16接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S4，S4驅(qū)動(dòng)Y6置位，延時(shí)1秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng)TO接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S5，驅(qū)動(dòng)Y0上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位，X17接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S6。S6驅(qū)動(dòng)Y4后退。移到后限位，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S7底逆轉(zhuǎn)Y12，狀態(tài)到S8，X20接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S9下降。下降到最低位，X16接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時(shí)1秒。延時(shí)時(shí)間到，T1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到Sll上升。上升到最高位，X25接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S13后退。后退到后限位，使X2l接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S14，底盤順轉(zhuǎn)是X2l接通，返回初始狀態(tài)，再開(kāi)始第二次循環(huán)動(dòng)作。

圖2自動(dòng)的功能流程圖

4.3 手動(dòng)單步操作程序

　手動(dòng)程序說(shuō)明：用對(duì)應(yīng)機(jī)械手的上下前后移動(dòng)和夾緊松開(kāi)按鈕。按下不同的按鈕，機(jī)械手執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。在前后移動(dòng)的程序中串聯(lián)上線位置開(kāi)關(guān)的動(dòng)合觸點(diǎn)是為了避免機(jī)械手在較低位置移動(dòng)時(shí)碰撞其他工件。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，程序之間還進(jìn)行必要的連鎖。圖3是手動(dòng)單步操作程序部分流程圖。

圖3手動(dòng)程序梯形圖

　4.4 回原位程序

　在系統(tǒng)處于回原位工作狀態(tài)時(shí)，按下回原位按鈕(X3)，M3變?yōu)镺N，機(jī)械手松開(kāi)和上升，當(dāng)升到上限位(X17變?yōu)镺N)，機(jī)械手后退，直到后限位(X21為ON)才停止，并且M3復(fù)位。

5 結(jié)束語(yǔ)

　本文的控制方案可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)和手動(dòng)控制下二維空間的自由運(yùn)動(dòng)。采用PLC進(jìn)行工業(yè)機(jī)械手模型運(yùn)行控制，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。同時(shí)用“軟接線”方法進(jìn)行程序控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。