目前世界高端工業機械手均有高精化、高速化、多軸化、輕量化的發展趨勢。 更重要的是將機械手、柔性制造系統和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人工操作狀態。 國內機械手主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，以減輕勞動強度，改善作業條件。 隨著社會生產不斷進步和人們生活節奏的不斷加快，機械手在工業制造、醫學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等領域都能得到廣泛的運用。 可編程序控制器（PLC）是工業控制中應用最廣泛最可靠的控制器。 本項目通過對機械手的組裝和 PLC 系統的編程，實現多軸機械手可靠穩定的搬運工件。通過本項目的研制，研制人員提高了自主動手能力，掌握機電一體化綜合設計技能，學習和掌握 PLC 語言的編寫，且借此可以了解學習國內外機械手的發展水平。

1 總體部分

　　如圖 1 所示，本項目研制的機械手教學實訓設備的總體結構由機械部分和電氣部分組成。

圖 1 PLC 多軸機械手總體結構圖

　　1.1 機械部分

　　機械手的機械部分總體結構由夾持部分、傳動機構和旋轉機構所組成。 （1）夾持部分使用機械夾手與真空吸盤相結合的結構夾持工件，可根據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，最大限度的保護工件的外觀，還具有易使用、零污染等優點；（2）傳動機構由 XY 軸滾珠絲杠副組成，滾珠絲杠副傳遞力矩，完成工件在 XY 軸方向上的往復運動，其利用滾珠運動的原理可以具有較高的重復精度，實現運動的微進給，從而保證更準確的將運送工件至指定地點；（3）旋轉機構 Z 軸由底座和機械手所組成，旋轉機構擴大了機械手的動作范圍，提高了機械手在搬運過程中的靈活性。

　　1.2 電氣部分

　　PLC 控制多軸機械手電氣部分主要由變壓器，步進電機驅動器，直流電機驅動器，PLC 主機模塊，控制面板等部分組成。 （1）變壓器作用是把 220V 的交流電壓轉換為電機與 PLC 工作的 24V 直流電壓；（2）X 軸 Y 軸直線運動由步進電機實現，步進電機能夠達到比較高的重復定位精度。 步進電機驅動器將輸入的電信號（或者脈沖信號）通過模數處理，轉變為電機的步進運動與增量位移，控制機械運動；（3）機械手有兩個旋轉動作，分別是抓手軸的正反旋轉和旋轉底盤 Z 軸的正反旋轉，其動作由直流無刷電機帶動，可回旋 360°，無刷直流電機的驅動器采用 24V 直流供電，有起停及轉向控制、過流、過壓及堵轉保護等特點；（4）控制面板開關主要分為自動和手動兩種模式。 自動模式下，根據 PLC 的編程順序進行各種動作并循環；手動模式主要是實現點動。 且控制面板上采用復合開關按鈕，節約 PLC 輸入點位；（5）PLC 采用了逐步通電、同步斷電的步進式控制設計，受控對象之間形成互鎖，動作的是否執行取決于前一步動作是否完成，若前一步未完成，則后一步無法執行。 具有編程簡單、維修方便、柔性化強等特點，可在現場修改和調試程序，可根據生產要求隨時改變。

2 控制要求

圖 2 機械手動作示意圖

　　圖 2 為本機械手教學實訓模型的動作示意圖，其工作路徑是將工件從 A 點搬運至 B 點。 機械手運行時，機械手首先要返回至設定的原點位置，之后通過 XY 軸的滾珠絲杠、底座和腕部的旋轉運動至工件所在位置并夾持工件回到原點，然后將工件準確的運送至指定位置。

3 控制部分設計

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

表 1 I/O 分配表

　　先將機械手進行復位操作。 當機械手未到原位，此時 PLC 輸入電平信號跟脈沖信號 CP-1 給步進電機橫軸驅動器，連接橫軸的步進電機反轉，橫軸往后縮，后縮到位后會碰到后限位開關 SQ3，SQ3 啟動之后，主機就輸入電平信號跟脈沖信號 CP-2 給豎軸驅動器，豎軸步進電機控制豎軸上升，上升到位后會觸碰到豎軸反限位開關 SQ4，SQ4 啟動之后，主機輸入旋轉脈沖信號 SB-0 給直流電機驅動器 3，4，完成機械手的復位動作即 YU21 和 YU22 的動作。 復位操作結束后，主機輸入脈沖信號 CP-1 給橫軸驅動器，步進電機開始正轉，橫軸實現進給操作 YV2，橫軸進給到位時碰到正限位開關 SQ1，進給完成。 機械手收到主機發送電壓信號，旋轉至已定的角度，完成動作 YV20，這時氣動電磁閥斷電，機械手張開。主機再同時輸入電平信號跟脈沖信號 CP-2 給豎軸驅動器使步進電機開始反轉，豎軸下降。當豎軸下降至碰到限位開關時 SQ4，下降停止，電磁閥得電機械手夾緊。 夾緊后，主機只輸入脈沖信號 CP-2 給豎軸步進電機驅動器，步進電機得電正轉豎軸上升，碰到限位開關 SQ2 后，上升停止，啟動橫軸步進電機驅動器脈沖 CP-1，步進電機得電開始反轉，橫軸縮回。 碰到限位開關 SQ3 后，PLC 發送旋轉脈沖信號 SB0給底盤，底盤正旋轉到位。此時主機再次輸入脈沖信號 CP-1 給橫軸驅動器，橫軸第二次向前伸出，碰到限位開關 SQ1 后停止。 停止后主機輸入電平和脈沖信號 CP-2 給豎軸驅動器 2 使得豎軸電機 2 反轉使豎軸再次下降，下降到位碰到豎軸正限位開關 SQ2 停止，此時電磁閥斷電，卡爪和真空吸盤放松，釋放工件，完成整套的工件運送工作。本機械手實訓裝置采用的 PLC 具有高速運算能力和 PID 調節功能，同時可以輸出兩路脈沖控制兩臺電機的優點。 圖 3 為控制輸出兩路脈沖梯形圖，可以控制兩個方向的電機同時運動，節省搬運時間。

圖 3 輸出兩路脈沖梯形圖

4 結語

　　本項目研制的機械手系統穩定、使用方便、成本低，具有可編程、二次設計等開放式功能特點，對提高學生的創新能力和綜合實踐能力有顯著效果。