目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化、高速化、多軸化、輕量化的發(fā)展趨勢。 更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 國內(nèi)機械手主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。 隨著社會生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏的不斷加快，機械手在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能得到廣泛的運用。 可編程序控制器（PLC）是工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛最可靠的控制器。 本項目通過對機械手的組裝和 PLC 系統(tǒng)的編程，實現(xiàn)多軸機械手可靠穩(wěn)定的搬運工件。通過本項目的研制，研制人員提高了自主動手能力，掌握機電一體化綜合設(shè)計技能，學(xué)習(xí)和掌握 PLC 語言的編寫，且借此可以了解學(xué)習(xí)國內(nèi)外機械手的發(fā)展水平。

1 總體部分

　　如圖 1 所示，本項目研制的機械手教學(xué)實訓(xùn)設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)由機械部分和電氣部分組成。

圖 1 PLC 多軸機械手總體結(jié)構(gòu)圖

　　1.1 機械部分

　　機械手的機械部分總體結(jié)構(gòu)由夾持部分、傳動機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)所組成。 （1）夾持部分使用機械夾手與真空吸盤相結(jié)合的結(jié)構(gòu)夾持工件，可根據(jù)被夾持工件的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭和真空吸盤，以適應(yīng)操作。 真空吸盤一般用橡膠制造，主要作用是將工件吸合便于搬運，最大限度的保護(hù)工件的外觀，還具有易使用、零污染等優(yōu)點；（2）傳動機構(gòu)由 XY 軸滾珠絲杠副組成，滾珠絲杠副傳遞力矩，完成工件在 XY 軸方向上的往復(fù)運動，其利用滾珠運動的原理可以具有較高的重復(fù)精度，實現(xiàn)運動的微進(jìn)給，從而保證更準(zhǔn)確的將運送工件至指定地點；（3）旋轉(zhuǎn)機構(gòu) Z 軸由底座和機械手所組成，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)擴(kuò)大了機械手的動作范圍，提高了機械手在搬運過程中的靈活性。

　　1.2 電氣部分

　　PLC 控制多軸機械手電氣部分主要由變壓器，步進(jìn)電機驅(qū)動器，直流電機驅(qū)動器，PLC 主機模塊，控制面板等部分組成。 （1）變壓器作用是把 220V 的交流電壓轉(zhuǎn)換為電機與 PLC 工作的 24V 直流電壓；（2）X 軸 Y 軸直線運動由步進(jìn)電機實現(xiàn)，步進(jìn)電機能夠達(dá)到比較高的重復(fù)定位精度。 步進(jìn)電機驅(qū)動器將輸入的電信號（或者脈沖信號）通過模數(shù)處理，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C的步進(jìn)運動與增量位移，控制機械運動；（3）機械手有兩個旋轉(zhuǎn)動作，分別是抓手軸的正反旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)底盤 Z 軸的正反旋轉(zhuǎn)，其動作由直流無刷電機帶動，可回旋 360°，無刷直流電機的驅(qū)動器采用 24V 直流供電，有起停及轉(zhuǎn)向控制、過流、過壓及堵轉(zhuǎn)保護(hù)等特點；（4）控制面板開關(guān)主要分為自動和手動兩種模式。 自動模式下，根據(jù) PLC 的編程順序進(jìn)行各種動作并循環(huán)；手動模式主要是實現(xiàn)點動。 且控制面板上采用復(fù)合開關(guān)按鈕，節(jié)約 PLC 輸入點位；（5）PLC 采用了逐步通電、同步斷電的步進(jìn)式控制設(shè)計，受控對象之間形成互鎖，動作的是否執(zhí)行取決于前一步動作是否完成，若前一步未完成，則后一步無法執(zhí)行。 具有編程簡單、維修方便、柔性化強等特點，可在現(xiàn)場修改和調(diào)試程序，可根據(jù)生產(chǎn)要求隨時改變。

2 控制要求

圖 2 機械手動作示意圖

　　圖 2 為本機械手教學(xué)實訓(xùn)模型的動作示意圖，其工作路徑是將工件從 A 點搬運至 B 點。 機械手運行時，機械手首先要返回至設(shè)定的原點位置，之后通過 XY 軸的滾珠絲杠、底座和腕部的旋轉(zhuǎn)運動至工件所在位置并夾持工件回到原點，然后將工件準(zhǔn)確的運送至指定位置。

3 控制部分設(shè)計

　　基于控制要求，合理地分配 PLC 輸入、輸出點位。 如表 1 所示為 PLC 的輸入輸出各點位的分配。

表 1 I/O 分配表

　　先將機械手進(jìn)行復(fù)位操作。 當(dāng)機械手未到原位，此時 PLC 輸入電平信號跟脈沖信號 CP-1 給步進(jìn)電機橫軸驅(qū)動器，連接橫軸的步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，橫軸往后縮，后縮到位后會碰到后限位開關(guān) SQ3，SQ3 啟動之后，主機就輸入電平信號跟脈沖信號 CP-2 給豎軸驅(qū)動器，豎軸步進(jìn)電機控制豎軸上升，上升到位后會觸碰到豎軸反限位開關(guān) SQ4，SQ4 啟動之后，主機輸入旋轉(zhuǎn)脈沖信號 SB-0 給直流電機驅(qū)動器 3，4，完成機械手的復(fù)位動作即 YU21 和 YU22 的動作。 復(fù)位操作結(jié)束后，主機輸入脈沖信號 CP-1 給橫軸驅(qū)動器，步進(jìn)電機開始正轉(zhuǎn)，橫軸實現(xiàn)進(jìn)給操作 YV2，橫軸進(jìn)給到位時碰到正限位開關(guān) SQ1，進(jìn)給完成。 機械手收到主機發(fā)送電壓信號，旋轉(zhuǎn)至已定的角度，完成動作 YV20，這時氣動電磁閥斷電，機械手張開。主機再同時輸入電平信號跟脈沖信號 CP-2 給豎軸驅(qū)動器使步進(jìn)電機開始反轉(zhuǎn)，豎軸下降。當(dāng)豎軸下降至碰到限位開關(guān)時 SQ4，下降停止，電磁閥得電機械手夾緊。 夾緊后，主機只輸入脈沖信號 CP-2 給豎軸步進(jìn)電機驅(qū)動器，步進(jìn)電機得電正轉(zhuǎn)豎軸上升，碰到限位開關(guān) SQ2 后，上升停止，啟動橫軸步進(jìn)電機驅(qū)動器脈沖 CP-1，步進(jìn)電機得電開始反轉(zhuǎn)，橫軸縮回。 碰到限位開關(guān) SQ3 后，PLC 發(fā)送旋轉(zhuǎn)脈沖信號 SB0給底盤，底盤正旋轉(zhuǎn)到位。此時主機再次輸入脈沖信號 CP-1 給橫軸驅(qū)動器，橫軸第二次向前伸出，碰到限位開關(guān) SQ1 后停止。 停止后主機輸入電平和脈沖信號 CP-2 給豎軸驅(qū)動器 2 使得豎軸電機 2 反轉(zhuǎn)使豎軸再次下降，下降到位碰到豎軸正限位開關(guān) SQ2 停止，此時電磁閥斷電，卡爪和真空吸盤放松，釋放工件，完成整套的工件運送工作。本機械手實訓(xùn)裝置采用的 PLC 具有高速運算能力和 PID 調(diào)節(jié)功能，同時可以輸出兩路脈沖控制兩臺電機的優(yōu)點。 圖 3 為控制輸出兩路脈沖梯形圖，可以控制兩個方向的電機同時運動，節(jié)省搬運時間。

圖 3 輸出兩路脈沖梯形圖

4 結(jié)語

　　本項目研制的機械手系統(tǒng)穩(wěn)定、使用方便、成本低，具有可編程、二次設(shè)計等開放式功能特點，對提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實踐能力有顯著效果。