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1、浅谈设计机械手控制装置 摘要：本文介绍的机械手是由PLC输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，限制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；直流电机拖动手爪和底回旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给PLC主机；电磁阀限制气开阀的开关来限制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。 关键词：可编程限制器PLC 机械手 脉冲 步进电机驱动器 机械手是近代自动限制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循肯定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生
2、产机械化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得肯定的成果，受到各工业部门的重视。 一、机械手各电器设备的限制方式及要求 机械手的技能和特性 依据古典力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来确定的。据资料介绍，假如采纳的机械手，其机能要接近人的上肢，则须要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就须要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。而且把机械手的功能搞得那么困难，动作彼此严峻重叠也是完全不必要的。退一步，假如机械手要求具有
3、完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有24个自由度。这在事实上也是不必要的，这样会使机械手结构困难，费用增多。因此，机械手设计时应依据实际须要，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。 本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摇摆、手臂左右摇摆、手腕回转、手指抓握。 躯干和传动系统 机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种，本设计采纳综合传动方式，即手臂采纳电气传动，而手爪则采纳气压传动。 1.夹紧机构 机械手手爪运用来抓取工件的部件。手
4、爪抓取工件是要满意快速、敏捷、精确和牢靠的要求。设计制造夹紧机构手爪时，夹紧机构本身则应结构简洁、体积小、重量轻、动作敏捷和动作牢靠。夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采纳机械式的夹紧机构。 机械式夹紧机构按手指运动的方式和仿照人手的动作，其种类繁多。本设计采纳二指式气动手爪。由可编程限制器限制电磁阀动作，从而限制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在180度。 2.躯干 躯干由底盘和手臂两大部分组成。 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采纳一个直
5、流电动机驱动，底回旋转时带动一个旋转码回旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程限制器，从而计算底回旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达273度。 手臂是机械手支撑手爪、工件并运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂以步进电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程限制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂运动。变更发出脉冲个数，可限制手臂两个轴的运动距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。 输入/输出的点数 本设备限制的对象是一个开关量限制的系统，同时利用脉冲限制步进店动机
6、的运转，故应采纳晶体管形式的输出。松下FPO系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满意本对象各项限制性能要求，因此，本系统采纳松下FPO系列的FPOC16T作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的限制。由于输入输出点不够，扩展一个FPOE16RS模块。 电源模块的选择 采纳Dm150系列开关电源。其特点是输出功率大，体积小，重量轻，牢靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流爱护功能。 步进电动机的选择： 采纳42BYGH101型二相八拍混合式步进电动机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等特点。 二、限制系统的软硬件设计 限制要求
7、 机械手须要将工件从工作台A移送至工作台B上，其动作过程为下降，上升，右移，再下降，再上升，左移。这些动作均由电磁阀限制液压系统来驱动完成。此外，机械手在夹送工件右行到位后，假如工作台B上的工件尚未移走，机械手则停止运动，待工作台B上的工件被运走后，机械手才能下降。 由机械手执行机构可知 1.输入为14个开关量信号。由限位开关，按纽，光电开关组成。 2.输出为6个开关量信号。右24V电液限制，液压驱动线圈和指示灯组成。 选择PLC型号 依据限制要求，PLC限制系统选用SIEMENS公司S7-200系列CPU224，因为I/O点数不够，另外选择扩展模块EM221 系统的硬件程序设计 操作时，机械
8、手分为手动操作方式，回原点操作方式，单步操作方式，单周期操作方式。 工件传送机械手PLC限制接线图2.1-1所示 图2.1-1件传送机械手PLC限制接线图 限制系统设有手动，单周期，单步，连续和回原点5种工作方式，机械手在最上面和最左面且松开时，称为系统处于原点状态。左限位开关I0.2，上限位开关I0.0的长开触点和表示机械手松开的Q0.1的长闭触点的串联电路接通时，“原点条件”存储器位M0.5接通变为ON，并接通Q0.5原点指示灯亮。 若选择单周期工作方式，饥饿下启动按钮I1.6后，从初始步M0.5起先，机械手按状态流程图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。 若选择连续工作方式，
9、在初始状态按下启动按钮I1.6后，机械手从初始步起先一个周期地反复连续工作。当按下停止按钮I1.7时，系统并不立刻停止工作，而是完成最终一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。 若选择单步工作方式，从初步起先，按一下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在初始步，再按一下启动按钮，又往前走一步单步工作方式常用于系统的调试。 在选择单周期，连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态。假如不满意这一条件，则可选择回原点工作方式，然后按回原点按钮I1.5，使系统自动返回原点状态。在原点状态，流程图中的初始步M0.0为ON，为进入单周期，连续和单步工作方式做好的打算。 三、结束语 本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作敏捷多样，可代替人工在高温柔危急的作业区进行作业，并可依据工件的改变及运动流程的要求随时更改相关参数。本文以日本三菱系列PLC为基础，介绍PLC在机械手步进限制中应用，希望人们可以利用机械手为人类做出更多的贡献。 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页