基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件分析

摘要：PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)是一種參照人手和臂的某些功能性動(dòng)作，采用PLC控制操作程序設(shè)計(jì)而成的自動(dòng)機(jī)械裝置，可代替人手進(jìn)行抓取、搬運(yùn)物件等操作，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化。要保證PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的順利、高效運(yùn)行，就必須全面做好其硬件、軟件設(shè)計(jì)?，F(xiàn)主要闡述了PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的概念及組成，分析了基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法及動(dòng)作實(shí)現(xiàn)流程。

關(guān)鍵詞：PLC;機(jī)械手控制系統(tǒng);硬件設(shè)計(jì)

0 引言

PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)是一種采用可編程序控制器PLC設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依靠傳感器接收機(jī)械手反饋的信息，并自動(dòng)將信息傳輸給機(jī)械手，讓機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和控制操作，從而能自由控制機(jī)械手的轉(zhuǎn)向。將該系統(tǒng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，不僅能減輕勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，還能全面提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的基礎(chǔ)條件是技術(shù)人員能夠參照人手和臂的某些功能性動(dòng)作，對該系統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)械裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，有必要了解該系統(tǒng)的組成和硬件設(shè)計(jì)方法。本文主要論述了基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的相關(guān)硬件分析問題[1]。

1 PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的概念及組成

PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)指的是將PLC控制技術(shù)引入到自動(dòng)控制領(lǐng)域中制成的機(jī)械手，利用該機(jī)械手不僅能代替人在各種惡劣的條件下工作，還能全面提升生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平，從而提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。該系統(tǒng)主要由傳感器、執(zhí)行器、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)模塊等部件組成。其中，傳感器能將機(jī)械手的位置反饋給控制系統(tǒng)，有助于控制系統(tǒng)明確機(jī)械手位置，控制機(jī)械手完成各項(xiàng)活動(dòng);驅(qū)動(dòng)模塊是PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)最重要的組成部分之一，也是該系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿碓?，能?qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)完成相應(yīng)操作。

2 基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

2.1? ? PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，本文主要探討該系統(tǒng)的硬件組成。PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)主要依靠直流無刷電機(jī)和異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)硬件控制。（1）直流無刷電機(jī)，具有重量輕、體積小、響應(yīng)快、出力大、速度快、慣量小、力矩穩(wěn)定、轉(zhuǎn)動(dòng)平滑、運(yùn)行溫度低、壽命長、適用范圍廣等特點(diǎn)，可帶動(dòng)360°的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)回旋，不僅能控制復(fù)雜的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，還能較為容易地實(shí)現(xiàn)智能化控制，還具有靈活的電子換相方式，可實(shí)現(xiàn)正弦波換相或方波換相等。（2）異步電機(jī)，是一種可將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的電機(jī)，因此它的啟動(dòng)需要脈沖信號的支持，在設(shè)計(jì)過程中需要給異步電機(jī)加不同的方向信號以及啟動(dòng)時(shí)給其加一個(gè)脈沖輸入信號，才能促進(jìn)電機(jī)順利開展相關(guān)控制動(dòng)作，改變機(jī)械手的轉(zhuǎn)向。在控制過程中，異步電機(jī)主要通過兩個(gè)繼電器之間的吸合與斷開，對機(jī)械手基座、氣夾的正/反轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的前伸、后縮、上升、下降等動(dòng)作。在異步電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過改變輸入脈沖的頻率來控制，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向可通過改變輸入脈沖順序來控制，如改變電機(jī)繞組通電相序，可使電機(jī)向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

2.2? ? 系統(tǒng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)主要是通過縱軸電機(jī)M1、橫軸電機(jī)M2、旋轉(zhuǎn)電機(jī)M3等3臺(tái)異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)全部動(dòng)作，如底座的正旋或底座的反旋動(dòng)作，橫軸的前伸或橫軸的后縮動(dòng)作，縱軸的上升或縱軸的下降動(dòng)作等。當(dāng)電機(jī)通電后，電磁閥便會(huì)對機(jī)械手的手爪動(dòng)作進(jìn)行控制。下面詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)路徑。

2.2.1? ? 開機(jī)復(fù)位

接通3臺(tái)異步電機(jī)電源，將開關(guān)QK合上，按下啟動(dòng)按鈕便可開機(jī)復(fù)位，若開機(jī)后發(fā)現(xiàn)機(jī)械手不在原點(diǎn)，則需采用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)調(diào)整和控制操作，并閉合橫軸KM4接觸器，使橫軸三相異步電機(jī)的KM4線圈通電，以促進(jìn)橫軸后縮和橫軸電機(jī)M2反轉(zhuǎn)，然后PLC控制系統(tǒng)閉合縱軸KM4接觸器，使縱軸三相異步電機(jī)的KM1線圈通電，以促進(jìn)縱軸上升和縱軸電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，待其上升至上限位開關(guān)位置后，便會(huì)停止上升，再逐漸回歸原點(diǎn)。

2.2.2? ? PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)控制動(dòng)作

當(dāng)完成上述開機(jī)復(fù)位操作后，第一步：采用PLC控制系統(tǒng)閉合橫軸KM3接觸器，使橫軸三相異步電機(jī)的KM3線圈通電，以促進(jìn)橫軸電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，讓機(jī)械手執(zhí)行前伸動(dòng)作，直至碰到前伸限位開關(guān)位置便可停止前伸。

第二步：采用PLC控制系統(tǒng)閉合縱軸KM2接觸器，使縱軸三相異步電機(jī)的KM2線圈通電，以促進(jìn)縱軸電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，讓機(jī)械手執(zhí)行下降動(dòng)作，直至碰到下降限位開關(guān)位置便可停止下降。

第三步：打開電磁閥開關(guān)，使其通電，讓機(jī)械手手爪夾緊，夾緊后采用PLC控制系統(tǒng)閉合縱軸KM1接觸器，使縱軸三相異步電機(jī)的KM1線圈通電，以促進(jìn)縱軸電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，讓機(jī)械手執(zhí)行上升動(dòng)作，直至碰到前伸限位開關(guān)位置便可停止上升[3]。

第四步：采用PLC控制系統(tǒng)閉合KM5接觸器，使旋轉(zhuǎn)三相異步電機(jī)KM5通電，以促進(jìn)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，讓機(jī)械手底盤執(zhí)行正旋動(dòng)作，直至碰到正轉(zhuǎn)限位開關(guān)位置便可停止正轉(zhuǎn)。

第五步：采用PLC控制系統(tǒng)閉合KM2接觸器，使縱軸三相異步電機(jī)的KM2線圈通電，以促進(jìn)縱軸電機(jī)M1反轉(zhuǎn)，讓機(jī)械手執(zhí)行縱軸下降動(dòng)作，直至碰到下降限位開關(guān)位置便可停止下降。然后，關(guān)掉電磁閥開關(guān)，使其斷電，使機(jī)械手手爪放松。

第六步：采用PLC控制系統(tǒng)閉合KM1接觸器，使縱軸三相異步電機(jī)KM1線圈通電，以促進(jìn)縱軸電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，讓機(jī)械手執(zhí)行縱軸上升動(dòng)作，直至碰到上升限位開關(guān)位置便可停止上升。

第七步：采用PLC控制系統(tǒng)閉合KM4接觸器，使得橫軸三相異步電機(jī)KM4線圈通電，以促進(jìn)橫軸電機(jī)M2反轉(zhuǎn)，讓機(jī)械手執(zhí)行橫軸后縮動(dòng)作，直至碰到后縮限位開關(guān)位置便可停止后縮。

第八步：采用PLC控制系統(tǒng)閉合KM6接觸器，使旋轉(zhuǎn)三相異步電機(jī)KM6通電，以促進(jìn)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)，讓機(jī)械手執(zhí)行反轉(zhuǎn)動(dòng)作，直至碰到反轉(zhuǎn)限位開關(guān)位置便可停止反轉(zhuǎn)，回到原點(diǎn)。至此，機(jī)械手完成一個(gè)周期的控制動(dòng)作，其控制系統(tǒng)主回路如圖1所示。

3 結(jié)語

隨著我國自動(dòng)化和智能化控制技術(shù)的快速發(fā)展，PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)在我國生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，該系統(tǒng)主要采用性價(jià)比高的可編程序控制器PLC對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得機(jī)械手能夠全方位和自由靈活地抓取空間中的各種物體，有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。然而，要保證PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要技術(shù)人員掌握扎實(shí)的控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，使機(jī)械手能按照特定的程序開展自動(dòng)化操作。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 謝智英，焦承東.基于PLC的機(jī)械手控制設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2020（11）：17.

[2] 楊艷霞.基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件分析[J].電子測試，2020（2）：31-32.

[3] 李江濤.機(jī)械手智能物料搬運(yùn)裝置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2020（2）：119-120.

收稿日期：2020-06-09

作者簡介：覃宇（1992—），男，湖南張家界人，助理工程師，研究方向：嵌入式硬件。