目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化、高速化、多軸化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。 更重要的是將機(jī)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(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 國(guó)內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。 隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏的不斷加快，機(jī)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(yùn)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(xiàng)目通過對(duì)機(jī)械手的組裝和 PLC 系統(tǒng)的編程，實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)械手可靠穩(wěn)定的搬運(yùn)工件。通過本項(xiàng)目的研制，研制人員提高了自主動(dòng)手能力，掌握機(jī)電一體化綜合設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展水平。

1 總體部分

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

圖 1 PLC 多軸機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖

　　1.1 機(jī)械部分

　　機(jī)械手的機(jī)械部分總體結(jié)構(gòu)由夾持部分、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所組成。 （1）夾持部分使用機(jī)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(yùn)，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(diǎn)；（2）傳動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)，其利用滾珠運(yùn)動(dòng)的原理可以具有較高的重復(fù)精度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的微進(jìn)給，從而保證更準(zhǔn)確的將運(yùn)送工件至指定地點(diǎn)；（3）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) Z 軸由底座和機(jī)械手所組成，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)械手的動(dòng)作范圍，提高了機(jī)械手在搬運(yùn)過程中的靈活性。

　　1.2 電氣部分

　　PLC 控制多軸機(jī)械手電氣部分主要由變壓器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，PLC 主機(jī)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(jī)與 PLC 工作的 24V 直流電壓；（2）X 軸 Y 軸直線運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)能夠達(dá)到比較高的重復(fù)定位精度。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將輸入的電信號(hào)（或者脈沖信號(hào)）通過模數(shù)處理，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)與增量位移，控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)；（3）機(jī)械手有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)作由直流無刷電機(jī)帶動(dòng)，可回旋 360°，無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)；（4）控制面板開關(guān)主要分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。 自動(dòng)模式下，根據(jù) PLC 的編程順序進(jìn)行各種動(dòng)作并循環(huán)；手動(dòng)模式主要是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)。 且控制面板上采用復(fù)合開關(guān)按鈕，節(jié)約 PLC 輸入點(diǎn)位；（5）PLC 采用了逐步通電、同步斷電的步進(jìn)式控制設(shè)計(jì)，受控對(duì)象之間形成互鎖，動(dòng)作的是否執(zhí)行取決于前一步動(dòng)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(jiǎn)單、維修方便、柔性化強(qiáng)等特點(diǎn)，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序，可根據(jù)生產(chǎn)要求隨時(shí)改變。

2 控制要求

圖 2 機(jī)械手動(dòng)作示意圖

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

3 控制部分設(shè)計(jì)

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

表 1 I/O 分配表

　　先將機(jī)械手進(jìn)行復(fù)位操作。 當(dāng)機(jī)械手未到原位，此時(shí) PLC 輸入電平信號(hào)跟脈沖信號(hào) CP-1 給步進(jìn)電機(jī)橫軸驅(qū)動(dòng)器，連接橫軸的步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，橫軸往后縮，后縮到位后會(huì)碰到后限位開關(guān) SQ3，SQ3 啟動(dòng)之后，主機(jī)就輸入電平信號(hào)跟脈沖信號(hào) CP-2 給豎軸驅(qū)動(dòng)器，豎軸步進(jìn)電機(jī)控制豎軸上升，上升到位后會(huì)觸碰到豎軸反限位開關(guān) SQ4，SQ4 啟動(dòng)之后，主機(jī)輸入旋轉(zhuǎn)脈沖信號(hào) SB-0 給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 3，4，完成機(jī)械手的復(fù)位動(dòng)作即 YU21 和 YU22 的動(dòng)作。 復(fù)位操作結(jié)束后，主機(jī)輸入脈沖信號(hào) CP-1 給橫軸驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，橫軸實(shí)現(xiàn)進(jìn)給操作 YV2，橫軸進(jìn)給到位時(shí)碰到正限位開關(guān) SQ1，進(jìn)給完成。 機(jī)械手收到主機(jī)發(fā)送電壓信號(hào)，旋轉(zhuǎn)至已定的角度，完成動(dòng)作 YV20，這時(shí)氣動(dòng)電磁閥斷電，機(jī)械手張開。主機(jī)再同時(shí)輸入電平信號(hào)跟脈沖信號(hào) CP-2 給豎軸驅(qū)動(dòng)器使步進(jìn)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，豎軸下降。當(dāng)豎軸下降至碰到限位開關(guān)時(shí) SQ4，下降停止，電磁閥得電機(jī)械手夾緊。 夾緊后，主機(jī)只輸入脈沖信號(hào) CP-2 給豎軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)得電正轉(zhuǎn)豎軸上升，碰到限位開關(guān) SQ2 后，上升停止，啟動(dòng)橫軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖 CP-1，步進(jìn)電機(jī)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(hào) SB0給底盤，底盤正旋轉(zhuǎn)到位。此時(shí)主機(jī)再次輸入脈沖信號(hào) CP-1 給橫軸驅(qū)動(dòng)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(jī)輸入電平和脈沖信號(hào) CP-2 給豎軸驅(qū)動(dòng)器 2 使得豎軸電機(jī) 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(shí)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(yùn)送工作。本機(jī)械手實(shí)訓(xùn)裝置采用的 PLC 具有高速運(yùn)算能力和 PID 調(diào)節(jié)功能，同時(shí)可以輸出兩路脈沖控制兩臺(tái)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。 圖 3 為控制輸出兩路脈沖梯形圖，可以控制兩個(gè)方向的電機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，節(jié)省搬運(yùn)時(shí)間。

圖 3 輸出兩路脈沖梯形圖

4 結(jié)語

　　本項(xiàng)目研制的機(jī)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(jì)等開放式功能特點(diǎn)，對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力有顯著效果。