基于PLC的机械手控制系统设计李贺儒

李贺儒

摘要：随着市场经济的发展，对工业生产提出了更高的要求，现代工业生产逐渐朝着智能化、自动化、集成化的方向高速发展。尤其是工业机械手，已经成为现代工业流水线生产的重要组成部分。为了进一步提高机械手控制系统的工作效率，PLC技术得到了广泛的应用。本文将简单介绍了机械手控制系统及PLC的特点，深入分析基于PLC的机械手控制系统设计，为相关工作者提供参考借鉴。

关键词：PLC；机械手；自动控制系统；设计

1引言

为了满足社会经济发展的要求，工业生产势必朝着智能化、自动化的方向不断改革。而作为现代工业呈现的重要装备之一，工业机械手被广泛应用于汽车制造、塑料加工、机械制造、石油化工、航空航天、医药生化等领域。为了进一步的降低企业的人力投入，提高工业生产的安全性和效率，在机械手控制系统设计过程中引入了PLC技术。因此，研究分析基于PLC的机械手控制系统设计具有重要的现实意义。

2机械手控制系统的概述

2.1机械手的优势

（1）降低企业的生产成本：机器手的大量应用，替代了传统的手工劳动者，减少了企业人力成本投入的同时，也利用其连续工作性的特点，提高了企业的作业效率，确保了产品的质量，为企业创造了更高的经济效益。

（2）改善作业环境：在工业生产过程中，会存在高温、易燃、高噪音、放射性以及其他毒性污染环境。对于人工作业而言，具有较高的危险性。采用机械手替代人来进行工作，不仅改善了相关工作者的作业条件，而且避免了疲劳作业所可能导致的热身伤害，一定程度上提高了工业生产的安全性。

（3）实现了工业生产的自动化：机械手本身在计算机的控制下，各种操作更加精准和块，一定程度上推动了工业生产的自动化发展。

2.2PLC的特点

PLC的系统结构类似于微型计算机，主要是由软件系统和硬件系统两部分组成。前者主要是由用户和系统程序两部分组成，实现了对目标设备的控制。后者则是包括了处理器、存储器、输入输出设备等硬件。其主要特点体现在以下几个方面：

（1）抗干扰能力强：PLC本身的硬件系统属于高集成的微电子器件，相比较机械手控制系统的继电器而言，性能更高，且抗干扰能力更强，可以确保机械手在较为恶劣的环境中也能正常的工作。

（2）操作方便，维修简单：PLC本身的编程程序都是一些比较容易的功能助记符号以及梯形图，相对于使用者而言，无需专业的计算机知识就可以完成程序的读取、编写以及修改。一定程度上简化了机械手控制系统的操作，为后期的维护保养提供了便利。

（3）实现了机电一体化：PLC本身是由半导体集成电路设计而成，不仅具有较高的抗干扰能力，而且本身结构紧凑、持久性强，可以装入到工业机械设备的内部，实现了工业生产的机电一体化控制。

3基于PLC的机械手控制系统的设计

3.1机械手总体设计

本次设计的机械手，目的在于完成工业流水线生产过程中，工件空间位置的转换。因此机械手的总体设计如图1所示。整个机械手控制系统的核心是可编程控制器，它通过对外部的信号、开关按钮等信息的采集，分析，输出了相关的控制结果，从而完成了机械手的各种机械部件的运动，将工件转移到了需要放置的区域。

3.2主要功能模块概述

（1）上位机监控系统：该模块利用动态组件计算机对机械手生产过程中的产生的相关信息进行了实时监控。其主要是放置于工作人员的操作区域，便于相关工作者可以借助上位机监控系统，对机械手的生产画面以及目标控制对象进行观测。

（2）控制器：该模块是整个机械手控制系统的核心，通过PLC的应用，极大的提高了控制器的可靠性，使得机械手的运动更加准确、高效，满足了工业生产的要求。

（3）驱动模块：与驱动器相关联的部件都可以成为驱动模块，它将控制器所发出来的控制信号进行放大，并完成了伺服机构部件的驱动。本次设计采用的为全数字化结构的伺服电动驱动器，本身的硬件结构相对简单，且相关参数调整方便，进一步的提高了机械手控制系统的可靠性。

（4）执行模块：执行模块主要是由伺服电机以及汽缸组成，前者具有精度高、反应速度快、可靠性强等优点，作为执行元件，可以快速的将获得的电压信号转化为具体的控制指令，来对电机的转速、转向等进行调整，完成工件的位置转移操作。

（5）传感器：传感器是前段的检测装置，对机械手控制系统的实际状况进行了信息采集，并反馈给控制器，由控制器根据机械手的实时状态信息作出正确的控制决策，确保整个系统的安全稳定运行。

3.3可编程控制器的结构

结合机械手控制系统的特点，本设计采用的PLC控制系统主要是由基本单元、扩展模块以及特殊功能模块等组成，主要硬件结构包括了CPU、存储器、接、口电路、通信接口以及电源等设备。具体的结构示意图如图2所示。

3.4PLC的工作原理

在实际工作过程中，PLC存在启动和停止两种状态，前者主要是完成PLC内部编制的可执行程序，而后者主要是实现了对PLC程序的编制、修改以及下载。在机械手运行过程中，存储在PLC当中的用户程序是循环反复执行的，直到PLC的状态切换至停止状态。同时，为了确保PLC在运行过程中，可以随着根据输入信号的变化来做出相对应的响应，因此，PLC采用的周期循环扫描工作方式，具体执行过程体现在以下几个方面：

（1）内部处理阶段：主要是通过CPU对PLC控制器内部进行故障检查扫描，并完成监控定时器的复位。

（2）通信服务阶段：此阶段是对PLC的外围设备进行通信，以确保CPU可以从通信接口接收到相关的信号信息。

（3）输入采样阶段：该阶段是扫描周期的开始阶段，实现了输入端子当前数值的读取，并将其写入到输入映像寄存器当中，该数值不会受到输入端子状态变化的影响。

（4）程序执行阶段：在该阶段，PLC会按照编制的顺序，一次执行扫描。再次过程中，CPU会根据用户程序的指令，依次执行直到最后一条指令执行结束。最终的执行结果会放置到输入映像寄存器当中。

（5）输出刷新阶段：在一个扫描周期结束时，CPU会根据输入映像寄存器中的执行结果，写入到输出锁存器当中，完成机械手状态的更新，并开始进行下一个循环周期，依次周而复始的进行，直到PLC处于停止状态。

3.5机械手控制系统执行效果

本机械手主要应用于流水线上的物体空间位置转移。通过现场对机械手控制系统的现场测试，基于手动模式下，机械手可以准确的完成上下左右的移动，并可以完成对工件的吸附和松开动作；基于自动模式下，机械手可以按照编制好的流程进行动作。说明机械手的控制系统能够达到预期的功能，可以通过PLC的控制准确的执行各种动作。

4结束语

综上所述，本文通过对基于PLC的工业机械手控制系统的设计，完美的实现了流水线作业过程中，机械手对目标工件空间位置的移动，达到了预先的控制要求。因此，相关工作者必须重视PLC的研究，利用其高稳定性、抗干扰能力强、控制精度高等优点，提高机械手控制系统的自动化控制效率，提高工业生产的效率，推动我国工业生产的智能化、自动化发展。

参考文献：

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[2]王月芹.基于PLC机械手控制系统设计与实现[J].机电产品开发与创新,2011(3):149-151.

[3]朱彬.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].数字通信世界,2017(05):272-273.