機(jī)械手是最早的工業(yè)機(jī)器人，它可以模仿人的手和手臂的某些動作功能，從事工業(yè)生產(chǎn)、抓取、搬運等自動操作設(shè)備。它可以在各種惡劣的環(huán)境中工作，完成工人不想完成或不能完成的危險和繁重的工作，減少勞動強(qiáng)度，保證工人的人身安全，改善工作環(huán)境。同時具有自動化程度高、效率高、精度高等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于冶金、汽車制造、輕工、化工等領(lǐng)域。本文采用PLC和單片機(jī)技術(shù)對機(jī)械手進(jìn)行控制，實現(xiàn)了對小圓柱形工件的反復(fù)準(zhǔn)確處理。

圖1 機(jī)械手裝配效果圖

圖2 手爪結(jié)構(gòu)圖

1.機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手由底座、臂部、手腕和手部組成，圖1為機(jī)械手的裝配效果圖。

為了擴(kuò)大運動范圍，整個機(jī)械手可以沿導(dǎo)軌水平運動，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過同步齒帶驅(qū)動矩陣，實現(xiàn)整個機(jī)械手的水平運動?；捎貌竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，節(jié)省了傳動過程，具有較高的傳動效率。由于位置塊有限，旋轉(zhuǎn)有一定的角度限制。大臂、小臂和手腕的旋轉(zhuǎn)由三臺直流電機(jī)直接驅(qū)動，用于調(diào)整手臂的姿態(tài)。底座內(nèi)有一定的空間，旋轉(zhuǎn)座椅和大臂來加載驅(qū)動電機(jī)。大臂驅(qū)動電機(jī)直接通過固件驅(qū)動大臂驅(qū)動，傳動效率高，小臂驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動小臂通過齒形帶旋轉(zhuǎn)，傳動比高且穩(wěn)定。該爪用于抓取工件的關(guān)鍵部件，考慮工件的形狀，選擇改進(jìn)的V形手指，將V形轉(zhuǎn)向圓弧，更適合于圓工件的夾緊，如圖2所示。爪由舵機(jī)驅(qū)動，主動輪與舵機(jī)連接，驅(qū)動從動件輪旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為手指的夾緊和松動作用。

該機(jī)械手不考慮手爪夾緊和松開，具有五個自由度，分別為基體平移、底座旋轉(zhuǎn)、大臂旋轉(zhuǎn)、小臂旋轉(zhuǎn)和手腕旋轉(zhuǎn)。其主要運動參數(shù)有基體水平移動范圍0～800mm；②底座旋轉(zhuǎn)范圍-160°～150°；③大臂的有效轉(zhuǎn)動范圍為30°～150°；④小臂的轉(zhuǎn)動范圍均為0°～220°；④手腕的轉(zhuǎn)動范圍為±180°；⑤手爪最大張緊力為15kg。

2.機(jī)械手控制要求

五自由度機(jī)械手要求能在6個工位之間完成工件搬運，各工位點位置圖如3所示。

機(jī)械手有手動和自動兩種工作方式。手動操作時，機(jī)械手可以分別控制大臂、小臂、手腕和爪的運動。當(dāng)機(jī)械手自動工作時，機(jī)械手完成了復(fù)位、喂入、喂料等一系列動作。

復(fù)位時，按“復(fù)位”按鈕，機(jī)械手座旋轉(zhuǎn)到原來的位置，水平移動到左側(cè)原位傳感器停止，大臂、小臂、手腕和手爪都處于復(fù)位狀態(tài)，等待。如果機(jī)械手在操作過程中，按“復(fù)位”3s，系統(tǒng)就復(fù)位。

拾取物料時，復(fù)位完成后，按“開始”按鈕，水平移動機(jī)械手，將基座旋轉(zhuǎn)到位，并在指定的位置完成一系列拾取動作。

進(jìn)料時，機(jī)械手完成后，機(jī)械手水平移動，基座就位旋轉(zhuǎn)，在目標(biāo)站上完成一系列的卸料部件。完成后，機(jī)械手被重置并自動停止。

如果機(jī)械手在移動過程中，按下“停止”按鈕，機(jī)械手完成當(dāng)前動作并停止運行，按下“啟動”按鈕，機(jī)械手繼續(xù)下一個動作；按“緊急停止”開關(guān)，機(jī)械手立即停止所有動作，此時，如果需要再次運行機(jī)械手，則需要在復(fù)位完成后，再按“復(fù)位”按鈕，才能重新運行。

圖3 機(jī)械手搬運工位點位置圖

3.機(jī)械手控制系統(tǒng)

機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其核心控制器采用PLC和單片機(jī)控制器相結(jié)合，PLC主要負(fù)責(zé)機(jī)械手水平位置、底座旋轉(zhuǎn)位置控制，實現(xiàn)精確定位；單片機(jī)控制器負(fù)責(zé)控制大臂、小臂、手腕和手爪的動作，完成手臂姿態(tài)（取工件、放工件）控制，同時PLC和單片機(jī)之間信號進(jìn)行通信。人機(jī)交互設(shè)備采用觸摸屏，對機(jī)械手的操作控制除外部控制按鈕外，也可通過觸摸屏進(jìn)行控制，同時，機(jī)械手的運行過程中的工作狀態(tài)和故障情況可通過觸摸屏加以顯示，方便實時監(jiān)控。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 機(jī)械手硬件設(shè)計

該機(jī)械手共有6臺電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)的選擇主要根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)要求，電動機(jī)轉(zhuǎn)速不小于10r/min，轉(zhuǎn)矩按電動機(jī)2倍過載系數(shù)即可滿足要求。綜合分析，基體平移驅(qū)動電機(jī)選三相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動器選雷賽科技3ND583步進(jìn)驅(qū)動器；底座旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)選二相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動器選雷賽科技M542步進(jìn)驅(qū)動器；大臂電機(jī)選10r/min、30W的空心杯減速電機(jī)；小臂電機(jī)選20r/min、DC24V的直流減速電機(jī)；手腕旋轉(zhuǎn)電機(jī)選10r/min、DC24V的渦輪減速電機(jī)；手爪舵機(jī)型號CYS-S0150，最大15kg。電機(jī)的接線圖如圖5所示。

圖5 電機(jī)接線圖

為了對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，PLC選擇能接收高速脈沖的晶體管輸出型可編程控制器，選用日本三菱FX1N-24MT，具有高速運算能力、同時可以輸出2路脈沖輸出控制2臺步進(jìn)電動機(jī)的優(yōu)點。

3.2 機(jī)械手軟件設(shè)計

PLC輸入、輸出信號及其地址編號見表1。

表1 PLC輸入、輸出信號及其地址編號表

單片機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)械手手臂姿態(tài)的控制（取、放工件），取放信號出廠時便封裝在單片機(jī)內(nèi)部，不同的輸出分配，動作也不同，取放控制信號及位置編碼信號對應(yīng)單片機(jī)控制編碼見表2。

表2 取放控制信號及位置編碼信號對應(yīng)表

圖6 動作流程圖

以機(jī)械手自動模式下，將2號位的工件搬運至4號位，之后再將1號位的工件搬運至3號位為例，其動作流程如圖6所示。

在PLC編程中，采用加減速高速脈沖輸出指令、PLSR指令對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過設(shè)置脈沖頻率來設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或定位對象的運動速度。頻率越高，速度越快。通過設(shè)置脈沖數(shù)來設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度或定位物體的運動量，脈沖數(shù)越大，角度(移位量)就越大。同時，可以通過設(shè)定加減速時間來實現(xiàn)頻率的增加、頻率的穩(wěn)定和頻率的減小，以滿足運動速度和位置的精度要求。

4 總結(jié)

五自由度機(jī)械手采用PLC與單片機(jī)相結(jié)合的控制方式，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和舵機(jī)，借助傳感器，可由各自由度控制機(jī)械手，方便、準(zhǔn)確地實現(xiàn)機(jī)械手的位置控制，完成物料搬運任務(wù)。