可編程控制器在機(jī)器人手中的應(yīng)用

蔡基鋒

摘要：機(jī)器人手主要包含了機(jī)械原理、液壓氣動技術(shù)、自動化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)、傳感器等多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)集成于一體的自動化裝置。機(jī)器人手是提高生產(chǎn)自動化、改善勞動條件、確保生產(chǎn)安全、提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量的有效手段之一。本文主要介紹的是可編程控制器（PLC）的概念與控制模型的設(shè)計(jì);同時(shí)也闡述了PLC在機(jī)器人手中的應(yīng)用及機(jī)器人的原理與設(shè)計(jì)流程。文中介紹了機(jī)器人手的動作構(gòu)成和工作狀態(tài)，并給出模式選擇方法，文中著重闡述了機(jī)器人手的控制系統(tǒng)，從而說明了可編程控制器在機(jī)器人中的廣泛應(yīng)用。在當(dāng)今的時(shí)代，機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造中，可以代替人類高質(zhì)量地完成大量工作，機(jī)器人與其他的智能化設(shè)備在空間、海洋等探索中會獲得非常廣泛的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：PLC;機(jī)械手;機(jī)器人

中圖分類號： TP18? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）03-0192-03

Abstract： The robot hand mainly includes a number of advanced technologies such as mechanical principle， hydraulic and pneumatic technology， automation control technology， computer， sensor， etc.， integrated into one automation device. Robot hand is one of the effective means to improve production automation， improve working conditions， ensure production safety， and improve production efficiency and quality. This article mainly introduces the concept of programmable logic controller （PLC） and the design of the control model; it also explains the application of PLC in the hands of a robot and the principle and design process of the robot. The article introduces the action composition and working status of the robot hand， and gives the mode selection method. The article focuses on the control system of the robot hand， which explains the wide application of programmable controllers in robots. In today's era， robots have been widely used in machine manufacturing and can replace humans to complete a large amount of work with high quality. Robots and other intelligent equipment will have a very broad development prospect in the exploration of space and ocean.

Key words： PLC;manipulator;robot

1 可編程控制器

1.1 可編程控制器的概念

可編程控制器（Programmable Logic Controller）我們通常稱它為PLC。PLC是通用的自動控制裝置，它是以微型處理器為核心并且通過繼電順序控制的。PLC是通過數(shù)字、模擬的信號輸入輸出來控制各種機(jī)械運(yùn)動和生產(chǎn)流程，并且通過類似于計(jì)算機(jī)一樣的邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、數(shù)學(xué)運(yùn)算等指令來控制各種設(shè)備的。PLC具有易擴(kuò)展、高可靠、抗干擾等特點(diǎn)。它在自動化控制系統(tǒng)中具有很重要的地位。

1.2 PLC控制模型的硬件設(shè)計(jì)

在PLC中硬件設(shè)計(jì)是具有很重要的地位的。PLC控制系統(tǒng)的各種性能是與它的存在有著很密切的關(guān)系，例如安全性、穩(wěn)定性和可靠性。其主要由輸入和輸出兩部分電路組成。

1）PLC控制系統(tǒng)的輸入電路設(shè)計(jì)：PLC的供電電源通常是交流220V電壓，輸入電路電源，一般采用DC 24V，要做好預(yù)防短路的措施，不然會影響到系統(tǒng)運(yùn)行。

2）PLC控制系統(tǒng)的輸出電路設(shè)計(jì)：根據(jù)生產(chǎn)的需求，PLC應(yīng)用于高頻率的動作，并且響應(yīng)的速度要快時(shí)，采用晶體管輸出。如果要達(dá)到每分鐘六次以下的輸出頻率，并保證輸出的電路簡單、抗干擾能力強(qiáng)并且負(fù)載能力強(qiáng)的話，應(yīng)該首先考慮繼電器輸出。

2 機(jī)械手

2.1 機(jī)械手概念

機(jī)器人一般是由機(jī)器體、控制器、驅(qū)動器、傳感器組成，它能夠做一些類似人的操作，能夠完成各種自動化的作業(yè)操作的設(shè)備。它對于提高工作效率、保證工作質(zhì)量和改善勞動條件起到了非常關(guān)鍵性的作用。現(xiàn)在衡量一個(gè)國家的自動化水平，機(jī)器人的生產(chǎn)應(yīng)用的發(fā)展情況是很關(guān)鍵的部分。在生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手能夠有效地提高生產(chǎn)的水平，節(jié)約勞動成本，保證生產(chǎn)安全，尤其是在惡劣的環(huán)境中，人為操作危險(xiǎn)的時(shí)候，機(jī)械手能夠起到很好的代替作用。所以在焊接、鍛造、機(jī)械加工等重要的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)具有更廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在的技術(shù)水平越來越發(fā)達(dá)，機(jī)械手的構(gòu)造越來越簡單化，也同時(shí)能夠獨(dú)立的根據(jù)程序的設(shè)置控制來重復(fù)的完成一項(xiàng)工作，機(jī)械手能夠很快地改變工作的流程，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此在科技發(fā)展迅速的時(shí)代，應(yīng)用越來越廣泛。

機(jī)械手也分為各種類型，如液壓機(jī)械手、氣壓機(jī)械手等。

液壓機(jī)械手是通過液壓油提供動力執(zhí)行各種動作。液壓機(jī)械手動作較慢、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、力量很大。氣壓機(jī)械手由氣壓傳動，氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制。

液壓技術(shù)通常有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）液壓設(shè)備產(chǎn)生的慣性大，這樣當(dāng)突然停止停車或過量載重的時(shí)候，不會有較大的沖擊力，更安全﹔

（2）可以實(shí)現(xiàn)各種速度的調(diào)節(jié)，能夠在給定范圍內(nèi)自動的調(diào)節(jié)速度﹔

（3）可以很好地改變方向，在不改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的條件下，可以實(shí)現(xiàn)有效的重復(fù)的旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)換;

（4）在空間布局上液壓器和馬達(dá)之間用油管相連接不受彼此的限制;

（5）采用液態(tài)介質(zhì)，配件之間能夠起到很好的潤滑作用，使配件之間的摩擦力小，增加的使用的壽命;

（6）自動化的程度很高，操作控制簡單;

（7）過載時(shí)能夠有效地起到保護(hù)作用。

2.2 機(jī)械手工作原理

機(jī)械手在工作的過程中，是通過PLC發(fā)送指令給電磁閥，電磁閥在動作的時(shí)候?qū)⑿盘柊l(fā)送給液壓機(jī)，液壓機(jī)接收到信號后，將動力傳送給機(jī)械閥，機(jī)械手獲得動力后進(jìn)行一系列的操作動作。PLC在根據(jù)實(shí)際的操作情況，將指令傳遞到下一步操作中。

2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是類似于人體手、手腕、手臂的構(gòu)造，并且還有立柱與其他的零件組成的，有的甚至還包括腿部部件，能夠行走。

1）手部

機(jī)械手手部是類似于人手的重要部位，機(jī)械手的手部是用來抓取物品的。機(jī)械手的手部根據(jù)它在執(zhí)行工作的過程中根據(jù)不同的拿起方式我們通常把它分為吸附式和夾持式兩種手部。然而我們也可以通過手指在運(yùn)動時(shí)候的方式將它歸類為回轉(zhuǎn)型的手指和平移型的手指。在兩種不同類型的手指中回轉(zhuǎn)型的手指構(gòu)造簡單生產(chǎn)容易，所以當(dāng)前在機(jī)械手中應(yīng)用比較廣泛。平移型的手實(shí)際應(yīng)用的比較少，其構(gòu)造復(fù)雜，但是平移型的手指在拿圓形物體時(shí)不會因物體的大小而影響到機(jī)械手軸心的位置，所以平移型的手指一般應(yīng)用于直徑變化較大的物體上。一般機(jī)械手的手指結(jié)構(gòu)會根據(jù)其應(yīng)用到的環(huán)境決定的。傳力機(jī)構(gòu)是通過手指握力操縱想要拿取的物體的。

現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中比較常見的傳力結(jié)構(gòu)通常有滑槽杠桿式的和連桿或斜面的杠桿式傳力機(jī)構(gòu)，齒輪齒條式的和絲杠螺母彈簧式的傳力機(jī)構(gòu)通常也是應(yīng)用比較廣泛的。

2）手腕

手腕是用來連接手與手臂之間的部件，通過手腕可以調(diào)整拿物體的方位。

3）手臂

手臂是用來支撐手拿物體的重要部分。手臂可以帶動手指去拿物體，同時(shí)可以按照指令將物體放到需要的位置。驅(qū)動手臂的運(yùn)動部件與動力源互相配合著會使手臂做出各種動作。

4）立柱

在機(jī)械手工作的時(shí)候，手臂的旋轉(zhuǎn)與方向動作都是與立柱有著很大的關(guān)系的，手臂的支撐就是通過立柱完成的。機(jī)械手的立柱有時(shí)也可以橫向進(jìn)行移動，我們稱這樣的立柱為可移動式立柱。

5）機(jī)座

在機(jī)械手中機(jī)座是一個(gè)非常重要的部件，它將支撐連接機(jī)械手各個(gè)部件，同時(shí)機(jī)械手中的部件是都安裝在它的身上。

2.2.2 驅(qū)動系統(tǒng)

機(jī)械手的各種動作的執(zhí)行是由驅(qū)動系統(tǒng)來完成的。它是由動力、調(diào)節(jié)、輔助裝置組成的。生產(chǎn)中通過給機(jī)械手提供動力的不同方式我們可以歸類為機(jī)械式驅(qū)動系統(tǒng)、液壓式驅(qū)動系統(tǒng)和氣壓式驅(qū)動系統(tǒng)。這3種不同的動力方式都有著自己獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.2.3 控制系統(tǒng)

機(jī)械手根據(jù)相應(yīng)指令對應(yīng)做相關(guān)的操作時(shí)都是通過控制系統(tǒng)來完成的。程序控制和電氣定位兩個(gè)系統(tǒng)共同構(gòu)成了當(dāng)前最普遍的工業(yè)應(yīng)用的機(jī)械手。本文介紹的機(jī)械手控制程序是由PLC構(gòu)成，用PLC來支配整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動程序，同時(shí)存儲相應(yīng)的指令去按照系統(tǒng)發(fā)出的指令信息執(zhí)行對應(yīng)的動作，PLC還可以監(jiān)視機(jī)械手的動作，如果當(dāng)機(jī)械手的動作出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)或存在故障的時(shí)候PLC可以對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視并發(fā)出警告。

2.2.4 位置檢測裝置

位置檢測裝置是用來檢測機(jī)械手在做相應(yīng)操作時(shí)，達(dá)到指定位置后發(fā)出信號反饋給控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)會將檢測裝置發(fā)送過來的信息與設(shè)置的位置信息做對比，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行更改調(diào)整，最后能夠準(zhǔn)確地使機(jī)械手達(dá)到對應(yīng)的位置。

3 機(jī)械手軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

機(jī)械手的工作流程一般依照以下順序執(zhí)行：拿、運(yùn)、放與恢復(fù)原始狀態(tài)。機(jī)械手的手臂在伸出到指定位置時(shí)，傳感器在檢測到相應(yīng)位置，手指松開，然后手臂下沉到最低位置，收緊手指手抓，這個(gè)整個(gè)過程大約耗時(shí)1秒鐘，到這個(gè)過程結(jié)束后，整個(gè)抓取工作完成。

機(jī)械手抓緊物體后，手臂在最低位，有限位傳感器進(jìn)行發(fā)出信號，然后去使手臂上移，手臂上移到指定位置收回手臂，當(dāng)手臂收縮到最后位置后旋轉(zhuǎn)到指定位置，并下沉到具體位置，在要求指定區(qū)間，打開手抓，完成物體放置，整個(gè)過程限制到1秒鐘完成。當(dāng)整個(gè)過程完成后，機(jī)械手臂會恢復(fù)初始狀態(tài)。

3.2 抗干擾設(shè)計(jì)

在整個(gè)工業(yè)電磁環(huán)境中，為了確保機(jī)械手的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)該避免或者少受電磁造成的干擾，為了避免干擾就需要對設(shè)計(jì)做出有效的抑制操作，抑制干擾源或者隔斷傳播的渠道來增強(qiáng)設(shè)備的運(yùn)行抗干擾能力是當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備的抗干擾途徑的有效方式。

為了抗干擾我們這里可以使用高性能的電源來控制電網(wǎng)中存在的干擾信號，同時(shí)也可以在信號傳入計(jì)算機(jī)之前，在信號線與地之間增加電容，來減少造成的干擾，并且在電容兩極增加濾波器，減少干擾。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了PLC的概念、PLC的硬件設(shè)計(jì)、PLC在機(jī)器人手中的應(yīng)用以及工作原理。 本文結(jié)論如下：

1）機(jī)械手使用液壓技術(shù)可適用于各種復(fù)雜的環(huán)境，如高溫、粉塵等惡劣環(huán)境。

2）用PLC作為控制器，優(yōu)化了機(jī)械手群的控制系統(tǒng)。

3）本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人手，結(jié)構(gòu)清晰易于實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用性。

4）用PLC來控制每個(gè)機(jī)械手能完成類似于人的各項(xiàng)動作。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】