機械手控制系統設計研究

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摘要：在工業生產過程中，整體的環境會直接對操作者的工作質量以及工作效率產生影響，一旦受到有毒氣體的影響，便會嚴重地傷害員工的身體，而機械手則可有效降低此類問題發生的可能性。基于此，筆者圍繞PLC的機械手控制系統設計進行了研究，分析其發展過程中的改進措施，以便為機械手優化創造有利的條件。仿真結果表明：利用后期的編程軟件直接控制機械手，極大地提升了機械手的工作效率和工作質量；PLC控制系統具有安全性高、操作簡單等優點，可以使整個機械臂的操作更加符合實際需要，減少人力資源的浪費。

關鍵詞：機械手控制；工業制造；系統設計

機械手被應用于多種生產領域，不僅能夠解放更多的人力資源，還可以保證精準度。特別是在出現有害物質的情況下，機械手可以替代人工進行日常工作，降低員工受相關物質影響的可能性。現階段，機械手可依托自動化機械控制，提高工業生產效率。因此，相關部門的管理人員需要不斷加大資金研發投入，為機械手的發展奠定基礎。

1機械手概述

機械手主要由控制機器、驅動服務器、機械本體三個部分組成，是一種能夠完成部分人力工作的自動化控制生產設備。對于工業自動化來講，機械運作并不是完全代替人工操作，而是一種高效進行資源整合與操作的電子裝置，既能夠擁有人類對生產環境的高效判斷，還能夠保證設備持續運行，這對企業來講既能減少資源浪費，還能提升工作效率[1]。機械手是工業機器人中最為常見的一個部分，可利用程序的控制進行生產安裝等簡單的操作。作為近現代科技發展的產物，其結構形式也具有簡單操作的特點，現如今為了能夠更好地配置工業化需求，相關部門已經研究出了一套可以進行針對性操作的系統控制軟件，可在限定的空間內靈活搬運物體，有效保障在惡劣生產環境下員工的人身安全，最大限度地提升勞動產量和質量。此外，機械手在生產過程中也有很多的優勢：1）能夠完美按照工藝發展的需要，半替代或者完全替代人工的操作。2）按照相應的程序進行日常的運行工作。3）機械手的操作可以滿足裝配需要。4）機械手可以在高溫的條件下運行，保證員工的安全性，節約原材料，減少生產過程中的資源浪費。現如今機械化發展已經越來越受到社會各行各業的廣泛關注，國家不斷投入相關資金用于技術的研發與機械手的創新和發展。在現代化工業發展的前提下，若依舊使用傳統的技術便難以適應現代化工業發展對機械手的現實需要。針對上述問題，筆者認為PLC可編程序控制可以優化系統，提升系統運行的安全性與穩定性。

2PLC編程設計概述

PLC的全稱為ProframmableLogicalController，目前PLC已經被應用于多種類自動化控制工作中，還兼備聯絡互聯網等功能，在應用工作中主要有以下幾點優勢：1）可靠性更強。對于工業化的日常工作來講，PLC可以在惡劣環境下保障系統的穩定性，大量的實踐證明，PLC可以保證數萬小時的平穩運行，因此在工業中被廣泛應用。2）較強的自我診斷能力。在運行的狀態下，能實時監測程序，當發現程序存在問題時則第一時間停止程序的操作，切斷中間的信號，以便最大限度地降低損失。PLC主要模塊會在系統中使用集成電路，在運行過程中保護信號。在軟件上也有著數字濾波的特點，這種系統與傳統的計算機相比，更符合工業的特點[2]。3）操作簡單。PLC是利用程序系統執行操作的自動化控制，當需要進行更改操作時，便可以第一時間修改內部程序，最大程度地優化現有技術。現如今PLC產品已經可以實現自動化、標準化，用戶可以全自動進行系統的操作，在控制過程中，只需要在端口上接入相應的操作控制信號接口，可以直接操作接觸器。PLC在編程過程中使用了多種語言，作為面向工業化操作的設備，設計開發團隊最大程度地考慮到了工作人員的實際需求，因此在程序的編譯過程中使用了大量的梯形，這種語言可更加簡單地讓操作人員了解使用規則和標準，按照說明書使用即可。4）PLC的軟件可以減少控制柜中的安裝接線。使用戶可以在實驗室中進行調試，最終將符合要求的設備投入到生產線操作中。在使用過程中，如果發現PLC的故障燈亮起，則可以根據編程器的相關信息排查故障并予以解決，防止出現更嚴重的經濟損失[3]。

3機械手系統的組成及設計情況

3.1機械手系統的組成

目前，大家生活的空間是三維空間，在對物體位置進行明確時，可以將三個目標和方向作為依據，因此，只要對所需搬運物體的位置坐標和方向加以明確，即可對物體位置予以明確。機械手作為一種代替人手的設備，在完成動作時，需要自由度，而制造成本也與自由度存在密切的關聯，簡而言之，就是自由度越高，制造成本越高。本文所研究的機械手控制系統主要由以下幾個部分組成：1）夾緊機構。該機構屬于機械手的抓取結構。本設計所采用的機械手為二指機械式手爪，其開閉由PLC控制電磁閥實現。2）軀干。軀干的主要組成部分為手臂和底盤。其中，前者具有連接和承載手爪運動的作用。其由PLC控制電動機運轉的方式實現。后者的作用為承載重物和帶動手臂運動，其組成部分為直流電動機和旋轉編碼。在常規工作狀態下，底盤會在直流電動機的驅動下旋轉，并推動編碼盤運動。

3.2設計情況

機械手現在已經被廣泛應用于機床之中，可以很好地完成噴漆、點漆等工作，在此過程中完全是按照系統設定進行，即使外部條件會影響機械手的運行，也并不會影響機械手本身制造的零件質量。3.2.1機械手在智能技術中的應用我國的機械手在加工行業使用較多，尤其是熱加工行業，由于其使用的零件較多，因此在傳統的方式中極易出現問題。機械手則可以盡可能地規避相關問題，保證穩定性。智能制造在生產場景中需要機械手的配合才能夠完成，是一種基于生產步驟的云化處理模式。與傳統方式的應用相比，這種技術可以將機械手與終端進行連接，利用平臺的計算能力分析大數據，以此管理和控制生產過程。作為云技術機器人的代表，機械手可以長時間地儲存數據，滿足自由移動的要求。現階段，該技術的應用在無線網絡的支持下就可以達到要求，在5G網絡的幫助下，可以大大縮減信息傳遞的延遲時間，局部有接近100%的可靠性，應對機械手在發展過程中的需要[4]。3.2.2提高工業機械手的工作性能機械手的工作性能直接決定其在工業中的應用質量。在機械手的發展過程中，可以利用精準定位以及工作效率，提升機械手的運行質量，更好地輔助人們完成生產方面的日常工作[5]。3.2.3發展組合式機械手對于機械手來講，如今的可編程序機械手在PLC的幫助下可以適應多種環境，更好地幫助批量工業生產，但是這種機械手在使用方面的成本較高。為了能夠更好地為工業生產服務，組合式機械手誕生了，該機械手可以使用通用部件，根據實際需要進行工作。總而言之，機械手與PLC的結合，可以簡化操作運行的結構，在保證通用性的同時，真正做到專業化生產。3.2.4研制智能化機械手機器人對于行業發展來講，需要不斷完善與發展才能夠適應生產需要。與傳統技術相比，傳統的自動化控制不能有效監督整個生產流程，而在機械手智能技術的作用下，則可以系統控制設備，加以識別技術進行檢測實現生產過程中的無人化操作，進一步降低人力成本。這種技術上的升級可以幫助工業工程拓展更多的可能性，進一步提升生產過程中的精確程度。從我國現階段智能化機械手機器人的應用情況來看，其已經逐漸走入工業工程行業的視野中，并有效地提升了電子工程的工作質量以及工作效率。對于這種機械手無人化控制的重點就是要對以下幾個方面進行控制：響應時間、下降時間以及壟斷性變化，這三種因素中的任何一種因素都會對自動化控制產生影響，因此要在技術研發過程中不斷對以上三個因素進行檢測以及實踐測試，幫助企業進行技術更新和有效控制。此外，在對工業工程的生產進行控制時，還要充分發揮智能技術的自我修復作用，降低無人化操作造成的一系列影響，在未來通過對智能化技術的不斷完善與發展一定會攻克更多的技術難關，不斷提升技術質量[6]。

4機械手控制系統設計

4.1硬件設計

基于PLC的機械手控制系統，應具備多種控制方式，主要包括手動和自動控制，且工作狀態需要在操縱面板上被反映出來。系統的控制面板如圖1所示。在調整機械手控制方式時，需要利用旋鈕開關，在將控制開關選擇為手動控制模式時，機械手每一步工作都需要在按下對應按鈕后方可實現[7-8]。在控制開關調整為自動后，機械手會重復動作，將其撥回到原點后，機械手便可以自動回到原位。本文所研究的機械手控制系統，其PLC梯形圖中的編程元件采用了FXIN-60NR系列的PLC，其內部元件如下所述：1）輸入繼電器（X），點數36；數據寄存器，用途：數據存儲。2）輸入繼電器（Y），點數2；特殊繼電器M8000，用途：運行監控。3）輸入繼電器（M），點數284；特殊繼電器M8002，用途：初始化脈沖。4）輸入繼電器（S），點數1000；特殊繼電器M8005，用途：電池異常報警。5）定時器（T），點數256；特殊繼電器M8011，用途：10ms時鐘脈沖。6）計數器（C），用途：計數；特殊繼電器M8012，用途：1s時鐘脈沖。7）特殊繼電器M8013，用途：100ms時鐘脈沖；特殊繼電器M8014，用途：60ms時鐘脈沖。

4.2軟件設計

本文所研究的機械手控制系統，其軟件組成部分主要包括公用程序、自動程序、手動程序以及回歸程序等。其中，自動程序能夠將具有同一工作順序的單步運動程序和連續運動程序予以整合。其中，條件跳轉指令CJ是該系統應用最為頻繁的指令，究其原因，主要是這個指令在接收到要求后，可以完成程序的跳轉。并從指針標號PX處，對下一條程序予以執行，通過這種方式，程序執行時間被進一步縮減。在PLC的工作方式變為手動時，在完成公用程序執行后，其會啟動跳轉指令，并在此基礎上，執行手動程序[9]。在PLC執行方式變為自動時，PLC所執行程序僅包括公用程序和自動程序。同理，在PLC對回原位工作方式進行執行時，公用和回原位程序，會成為其執行的程序。

4.3PLC程序的上載和下載

4.3.1上載向計算機上傳編輯完成的PLC程序，就是所謂的程序上載，其目的在于滿足機械手控制系統的運行要求。具體操作如下：1）使計算機PLC通信線和通信電纜相連接；2）使用計算機設置PLC通信端口；3）使用鼠標點擊PLC菜單下的傳送，然后點擊讀入，在彈出對話框后，選擇所用PLC型號，在點擊確定后，即可向計算機內上傳編輯后的程序[10]。4.3.2下載將編寫完成的控制程序下載寫入到PLC之中，為機械手控制系統運行提供支持，就是程序下載的主要目的。其前兩個步驟與上載的兩個步驟相同，步驟3如下：將PLC控制面板撥向STOP，如果使用存儲裝置，需要將其寫入保護關斷。在對PLC菜單下的傳送進行點擊后，繼續點擊寫入，然后在彈出的對話框中選擇范圍設置，通過這種方式，PLC的寫入時間被縮短。

5結論

綜上所述，機械手的發展與控制非常重要，機械手臂控制更是一項能夠全方位進行特定操作的重要關鍵，而PLC控制系統具有安全性高、操作簡單的優點，可以使整個機械臂的操作更加符合實際需要，加上軟件編程的輔助，可以很好地優化機械手動的自我控制，減少人力資源的浪費。

參考文獻：

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[10]汪歡歡，胡國清，周青輝.基于PLC的氣動機械手控制系統設計與研究[J].液壓與氣動，2021(9)：38-40.

作者：呂穎利 常小明 單位：濟源職業技術學院