0 引言

　二維通用機械手是一種可仿人操作、可自動控制、重復編程、能在二維平面內完成各種作業的機電一體化自動化生產設備。隨著現代工業技術的發展，工業自動化技術越來越高，一些重復的工作由機械手遠程控制或自動完成不僅可提高生產效率、降低生產成本，同時也可以避免一些人不能接觸的物質對從業者身體造成傷害。

1 設計要求

　二維機械手的機械本體包括手指、手臂和軀干。像人手一樣，機械手的手指處于手臂前部，通過移動、打開和關閉三種基本動作組合實現抓緊的動作。手臂具有伸縮功能，可以調節手指到軀干的距離，同時可以將軀干的旋轉動作傳遞給手指。手臂伸縮與旋轉動作的結合可以將手指移動到工件的位置。軀干是安裝手臂、動力源和各種執行機構的機架。

　本文的設計要求是：機械手開始運行后，首先進行初始化。機械手的初始化包括三個動作，手爪手指張開到最大、手臂縮回到初始位置以及手臂橫縱方向歸零。為節省初始化的時間，要求這三個動作同時進行。機械手運行時，首先根據工件位置計算手臂伸縮電機步數、軀干旋轉電機步數，要求伸縮、旋轉同時進行，將手指移動到工件正上方5cm處。第二，手臂縱向下移至手掌上的傳感器檢測到工件。第三，PLC控制手指收緊至手指上的傳感器檢測到工件，暫停1s后機械手帶動工件縱向上移5cm。第四，根據目標位置計算手臂伸縮電機步數、軀干旋轉電機步數，將工件準確安置到目標位置；第五、延時1s后，手抓手指張開到最大釋放工件。機械手開始下一個循環的運動。

2 設計方案

　本文設計的二維通用機械手共有4個自由度。依次為手臂前后伸縮、手臂上下移動、軀干水平旋轉、手指的抓緊與松開。因此，本文的設計要求可以總結為：1)手爪夾緊動作。2)手臂伸縮運動。3)軀干旋轉運動。

　2.1 手爪夾緊動作

　機械手的手爪實際上就是一個移動的卡具。不僅要求卡具卡緊的力度適中，而且卡緊的速度、準確度也要滿足需求。本文設計的手抓是由PLC控制手指的張開和閉合。手指和手掌分別安裝傳感器負責感應手指與工件的距離。

　2.2 M手臂伸縮運動

　手臂是連接手爪和軀干的主要部分。本文設計的手臂可執行縱向移動和前后伸縮運動，可以實現手臂伸縮和升降的運動。手臂伸縮和升降時，計算步進電機需要轉動的步數。由PLC發出信號控制電機帶動絲杠運動實現機械手的伸縮和升降運動。絲杠、螺母結構應用于機械手的傳動中可以使機械手牢靠、準確度高、效率高。

　2.3 軀干旋轉運動

　軀干是整個機械手的支撐機構，負責支撐手臂和手爪，同時可以自轉并帶動手臂手爪在水平方向旋轉。軀干旋轉時由步進電機帶動一個旋轉編碼盤，每旋轉三度發出一個脈沖，由傳感器檢測并送入PLC計算軀干旋轉的角度。同時，在軀干上裝有限位開關，控制最大旋轉角度不能超過180度。

3 控制系統

　3.1 PLC的選擇

　對于本設計中的被控對象，要求選用的PLC系統與其他形式的控制系統相比，具有較好的性價比，使用和維修方便，PLC主機和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求，PLC主機及配置必須是功能較強的新一代PLC機型。若采用三菱公司的PIC，則選FX系列，不選F1系列。同時還應當考慮將來工藝的變化和擴展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量t確保整個控制系統可靠。還要考慮大家對產品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。在此，本文選用三菱FX1N來做控制核心。

　3.2 PLC梯形圖中的編程元件

　設計選用FXlN一60MR，其輸入繼電器(X)36點，輸出繼電器(Y)24點，輔助繼電器(M)384點，狀態繼電器(s)looo點，定時器(T)256點，計數器(C)，數據寄存器(D)等。

　特殊輔助繼電器：

　根據機械手動作的要求，輸入、輸出分配如表1所示。

4 控制系統軟件設計

　機械手控制系統總體流程分為主程序、自動程序、手動程序和初始化程序共四個部分。主程序包含自動程序、手動程序和初始化程序的共同部分，是每個程序都需要經歷的設置。自動程序包括單步控制程序和連續控制程序。如果控制方式設置為“手動”方式，則PLC執行完主程序后將跳過自動程序，直接執行“手動程序”。如果設置為“初始化”方式，執行完主程序后，執行回原位程序。如果設置為“連續”方式，則只執行主程序和自動程序。

　4.1 主程序

　主程序流程圖如圖1所示，當Y6復位(電磁閥松開)、后限位X21和上限位X17接通時，輔助繼電器M0變為ON，表示機械手在原位。如果開始執行用戶程序(M8002為ON)、系統處于手動或回原位狀態(X0或X1為ON)，那么初始步對應的M10被置位，連續工作方式做好準備。如果M0為OFF，M10被復位，系統不能進入連續工作方式。指令ZRST是成批復位應用指令，以防止系統從自動方式轉換手動方式，再返回自動方式時出現兩種不同的活動步。

圖1主程序梯形圖

　4.2 自動操作程序

　自動操作順序功能流程圖見圖2所示。當機械手處于原位時，按X4啟動，狀態轉移到Sl，驅動前伸Y3，當到達前限位使行程開關X20，狀態轉移到S2，而S1自動復位。驅動手順轉Y7，X24接通，狀態轉移到S3，驅動下降Y2，X16接通，狀態轉移到S4，S4驅動Y6置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當TO接通，狀態轉移到S5，驅動Y0上升，當上升到達最高位，X17接通，狀態轉移到S6。S6驅動Y4后退。移到后限位，狀態轉移到S7底逆轉Y12，狀態到S8，X20接通，狀態轉移到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1秒。延時時間到，T1接通，狀態轉移到Sll上升。上升到最高位，X25接通，狀態轉移到S13后退。后退到后限位，使X2l接通，狀態轉移到S14，底盤順轉是X2l接通，返回初始狀態，再開始第二次循環動作。

圖2自動的功能流程圖

4.3 手動單步操作程序

　手動程序說明：用對應機械手的上下前后移動和夾緊松開按鈕。按下不同的按鈕，機械手執行相應的動作。在前后移動的程序中串聯上線位置開關的動合觸點是為了避免機械手在較低位置移動時碰撞其他工件。為保證系統安全運行，程序之間還進行必要的連鎖。圖3是手動單步操作程序部分流程圖。

圖3手動程序梯形圖

　4.4 回原位程序

　在系統處于回原位工作狀態時，按下回原位按鈕(X3)，M3變為ON，機械手松開和上升，當升到上限位(X17變為ON)，機械手后退，直到后限位(X21為ON)才停止，并且M3復位。

5 結束語

　本文的控制方案可以實現機械手自動和手動控制下二維空間的自由運動。采用PLC進行工業機械手模型運行控制，簡化了控制系統的硬件結構。同時用“軟接線”方法進行程序控制，提高了系統的可靠性和靈活性。