机械手控制系统设计研究

摘要：在工业生产过程中，整体的环境会直接对操作者的工作质量以及工作效率产生影响，一旦受到有毒气体的影响，便会严重地伤害员工的身体，而机械手则可有效降低此类问题发生的可能性。基于此，笔者围绕PLC的机械手控制系统设计进行了研究，分析其发展过程中的改进措施，以便为机械手优化创造有利的条件。仿真结果表明：利用后期的编程软件直接控制机械手，极大地提升了机械手的工作效率和工作质量；PLC控制系统具有安全性高、操作简单等优点，可以使整个机械臂的操作更加符合实际需要，减少人力资源的浪费。

关键词：机械手控制；工业制造；系统设计

机械手被应用于多种生产领域，不仅能够解放更多的人力资源，还可以保证精准度。特别是在出现有害物质的情况下，机械手可以替代人工进行日常工作，降低员工受相关物质影响的可能性。现阶段，机械手可依托自动化机械控制，提高工业生产效率。因此，相关部门的管理人员需要不断加大资金研发投入，为机械手的发展奠定基础。

1机械手概述

机械手主要由控制机器、驱动服务器、机械本体三个部分组成，是一种能够完成部分人力工作的自动化控制生产设备。对于工业自动化来讲，机械运作并不是完全代替人工操作，而是一种高效进行资源整合与操作的电子装置，既能够拥有人类对生产环境的高效判断，还能够保证设备持续运行，这对企业来讲既能减少资源浪费，还能提升工作效率[1]。机械手是工业机器人中最为常见的一个部分，可利用程序的控制进行生产安装等简单的操作。作为近现代科技发展的产物，其结构形式也具有简单操作的特点，现如今为了能够更好地配置工业化需求，相关部门已经研究出了一套可以进行针对性操作的系统控制软件，可在限定的空间内灵活搬运物体，有效保障在恶劣生产环境下员工的人身安全，最大限度地提升劳动产量和质量。此外，机械手在生产过程中也有很多的优势：1）能够完美按照工艺发展的需要，半替代或者完全替代人工的操作。2）按照相应的程序进行日常的运行工作。3）机械手的操作可以满足装配需要。4）机械手可以在高温的条件下运行，保证员工的安全性，节约原材料，减少生产过程中的资源浪费。现如今机械化发展已经越来越受到社会各行各业的广泛关注，国家不断投入相关资金用于技术的研发与机械手的创新和发展。在现代化工业发展的前提下，若依旧使用传统的技术便难以适应现代化工业发展对机械手的现实需要。针对上述问题，笔者认为PLC可编程序控制可以优化系统，提升系统运行的安全性与稳定性。

2PLC编程设计概述

PLC的全称为ProframmableLogicalController，目前PLC已经被应用于多种类自动化控制工作中，还兼备联络互联网等功能，在应用工作中主要有以下几点优势：1）可靠性更强。对于工业化的日常工作来讲，PLC可以在恶劣环境下保障系统的稳定性，大量的实践证明，PLC可以保证数万小时的平稳运行，因此在工业中被广泛应用。2）较强的自我诊断能力。在运行的状态下，能实时监测程序，当发现程序存在问题时则第一时间停止程序的操作，切断中间的信号，以便最大限度地降低损失。PLC主要模块会在系统中使用集成电路，在运行过程中保护信号。在软件上也有着数字滤波的特点，这种系统与传统的计算机相比，更符合工业的特点[2]。3）操作简单。PLC是利用程序系统执行操作的自动化控制，当需要进行更改操作时，便可以第一时间修改内部程序，最大程度地优化现有技术。现如今PLC产品已经可以实现自动化、标准化，用户可以全自动进行系统的操作，在控制过程中，只需要在端口上接入相应的操作控制信号接口，可以直接操作接触器。PLC在编程过程中使用了多种语言，作为面向工业化操作的设备，设计开发团队最大程度地考虑到了工作人员的实际需求，因此在程序的编译过程中使用了大量的梯形，这种语言可更加简单地让操作人员了解使用规则和标准，按照说明书使用即可。4）PLC的软件可以减少控制柜中的安装接线。使用户可以在实验室中进行调试，最终将符合要求的设备投入到生产线操作中。在使用过程中，如果发现PLC的故障灯亮起，则可以根据编程器的相关信息排查故障并予以解决，防止出现更严重的经济损失[3]。

3机械手系统的组成及设计情况

3.1机械手系统的组成

目前，大家生活的空间是三维空间，在对物体位置进行明确时，可以将三个目标和方向作为依据，因此，只要对所需搬运物体的位置坐标和方向加以明确，即可对物体位置予以明确。机械手作为一种代替人手的设备，在完成动作时，需要自由度，而制造成本也与自由度存在密切的关联，简而言之，就是自由度越高，制造成本越高。本文所研究的机械手控制系统主要由以下几个部分组成：1）夹紧机构。该机构属于机械手的抓取结构。本设计所采用的机械手为二指机械式手爪，其开闭由PLC控制电磁阀实现。2）躯干。躯干的主要组成部分为手臂和底盘。其中，前者具有连接和承载手爪运动的作用。其由PLC控制电动机运转的方式实现。后者的作用为承载重物和带动手臂运动，其组成部分为直流电动机和旋转编码。在常规工作状态下，底盘会在直流电动机的驱动下旋转，并推动编码盘运动。

3.2设计情况

机械手现在已经被广泛应用于机床之中，可以很好地完成喷漆、点漆等工作，在此过程中完全是按照系统设定进行，即使外部条件会影响机械手的运行，也并不会影响机械手本身制造的零件质量。3.2.1机械手在智能技术中的应用我国的机械手在加工行业使用较多，尤其是热加工行业，由于其使用的零件较多，因此在传统的方式中极易出现问题。机械手则可以尽可能地规避相关问题，保证稳定性。智能制造在生产场景中需要机械手的配合才能够完成，是一种基于生产步骤的云化处理模式。与传统方式的应用相比，这种技术可以将机械手与终端进行连接，利用平台的计算能力分析大数据，以此管理和控制生产过程。作为云技术机器人的代表，机械手可以长时间地储存数据，满足自由移动的要求。现阶段，该技术的应用在无线网络的支持下就可以达到要求，在5G网络的帮助下，可以大大缩减信息传递的延迟时间，局部有接近100%的可靠性，应对机械手在发展过程中的需要[4]。3.2.2提高工业机械手的工作性能机械手的工作性能直接决定其在工业中的应用质量。在机械手的发展过程中，可以利用精准定位以及工作效率，提升机械手的运行质量，更好地辅助人们完成生产方面的日常工作[5]。3.2.3发展组合式机械手对于机械手来讲，如今的可编程序机械手在PLC的帮助下可以适应多种环境，更好地帮助批量工业生产，但是这种机械手在使用方面的成本较高。为了能够更好地为工业生产服务，组合式机械手诞生了，该机械手可以使用通用部件，根据实际需要进行工作。总而言之，机械手与PLC的结合，可以简化操作运行的结构，在保证通用性的同时，真正做到专业化生产。3.2.4研制智能化机械手机器人对于行业发展来讲，需要不断完善与发展才能够适应生产需要。与传统技术相比，传统的自动化控制不能有效监督整个生产流程，而在机械手智能技术的作用下，则可以系统控制设备，加以识别技术进行检测实现生产过程中的无人化操作，进一步降低人力成本。这种技术上的升级可以帮助工业工程拓展更多的可能性，进一步提升生产过程中的精确程度。从我国现阶段智能化机械手机器人的应用情况来看，其已经逐渐走入工业工程行业的视野中，并有效地提升了电子工程的工作质量以及工作效率。对于这种机械手无人化控制的重点就是要对以下几个方面进行控制：响应时间、下降时间以及垄断性变化，这三种因素中的任何一种因素都会对自动化控制产生影响，因此要在技术研发过程中不断对以上三个因素进行检测以及实践测试，帮助企业进行技术更新和有效控制。此外，在对工业工程的生产进行控制时，还要充分发挥智能技术的自我修复作用，降低无人化操作造成的一系列影响，在未来通过对智能化技术的不断完善与发展一定会攻克更多的技术难关，不断提升技术质量[6]。

4机械手控制系统设计

4.1硬件设计

基于PLC的机械手控制系统，应具备多种控制方式，主要包括手动和自动控制，且工作状态需要在操纵面板上被反映出来。系统的控制面板如图1所示。在调整机械手控制方式时，需要利用旋钮开关，在将控制开关选择为手动控制模式时，机械手每一步工作都需要在按下对应按钮后方可实现[7-8]。在控制开关调整为自动后，机械手会重复动作，将其拨回到原点后，机械手便可以自动回到原位。本文所研究的机械手控制系统，其PLC梯形图中的编程元件采用了FXIN-60NR系列的PLC，其内部元件如下所述：1）输入继电器（X），点数36；数据寄存器，用途：数据存储。2）输入继电器（Y），点数2；特殊继电器M8000，用途：运行监控。3）输入继电器（M），点数284；特殊继电器M8002，用途：初始化脉冲。4）输入继电器（S），点数1000；特殊继电器M8005，用途：电池异常报警。5）定时器（T），点数256；特殊继电器M8011，用途：10ms时钟脉冲。6）计数器（C），用途：计数；特殊继电器M8012，用途：1s时钟脉冲。7）特殊继电器M8013，用途：100ms时钟脉冲；特殊继电器M8014，用途：60ms时钟脉冲。

4.2软件设计

本文所研究的机械手控制系统，其软件组成部分主要包括公用程序、自动程序、手动程序以及回归程序等。其中，自动程序能够将具有同一工作顺序的单步运动程序和连续运动程序予以整合。其中，条件跳转指令CJ是该系统应用最为频繁的指令，究其原因，主要是这个指令在接收到要求后，可以完成程序的跳转。并从指针标号PX处，对下一条程序予以执行，通过这种方式，程序执行时间被进一步缩减。在PLC的工作方式变为手动时，在完成公用程序执行后，其会启动跳转指令，并在此基础上，执行手动程序[9]。在PLC执行方式变为自动时，PLC所执行程序仅包括公用程序和自动程序。同理，在PLC对回原位工作方式进行执行时，公用和回原位程序，会成为其执行的程序。

4.3PLC程序的上载和下载

4.3.1上载向计算机上传编辑完成的PLC程序，就是所谓的程序上载，其目的在于满足机械手控制系统的运行要求。具体操作如下：1）使计算机PLC通信线和通信电缆相连接；2）使用计算机设置PLC通信端口；3）使用鼠标点击PLC菜单下的传送，然后点击读入，在弹出对话框后，选择所用PLC型号，在点击确定后，即可向计算机内上传编辑后的程序[10]。4.3.2下载将编写完成的控制程序下载写入到PLC之中，为机械手控制系统运行提供支持，就是程序下载的主要目的。其前两个步骤与上载的两个步骤相同，步骤3如下：将PLC控制面板拨向STOP，如果使用存储装置，需要将其写入保护关断。在对PLC菜单下的传送进行点击后，继续点击写入，然后在弹出的对话框中选择范围设置，通过这种方式，PLC的写入时间被缩短。

5结论

综上所述，机械手的发展与控制非常重要，机械手臂控制更是一项能够全方位进行特定操作的重要关键，而PLC控制系统具有安全性高、操作简单的优点，可以使整个机械臂的操作更加符合实际需要，加上软件编程的辅助，可以很好地优化机械手动的自我控制，减少人力资源的浪费。

参考文献：

[1]周晓娟，台畅.基于PLC的四自由度气动机械手控制系统设计研究[J].中国设备工程，2022(1)：29-30.

[2]陈婧.基于PLC的工业机械手自动化控制系统设计[J].科学技术创新，2021(8)：193-194.

[3]曹励龄.基于S7-200PLC的三自由度机械手控制系统设计[J].农家参谋，2020(24)：202.

[4]刘次乐，李小斌，吴宏岐.基于PLC和组态王的机械手控制系统设计[J].数字技术与应用，2020，36(5)：20-22+24.

[5]顾宇辉.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].南方农机，2019，50(17)：111.

[6]郑钦通.分析基于PLC技术的机械手控制系统设计的运用[J].山东工业技术，2021(12)：245-246.

[7]唐少琴.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].机械设计与制造工程，2020，45(5)：51-53.

[8]刘世勋，吕明珠，王振龙.基于PLC的三自由度气动机械手控制系统设计[J].电气开关，2021，54(1)：38-40.

[9]黄春香.基于西门子PLC的机械手控制系统设计[J].科技展望，2020，25(30)：45.

[10]汪欢欢，胡国清，周青辉.基于PLC的气动机械手控制系统设计与研究[J].液压与气动，2021(9)：38-40.

作者：吕颖利 常小明 单位：济源职业技术学院