【摘要】自动化机械手作为工业生产设备中的重要组成部分，其自动化水平的高低直接关系着企业的生产效率，必须引起高度重视。本文介绍了机械手的基本组成，完成了PLC硬件和软件的设计。应用结果表明，基于PLC的机械手控制系统能够满足设计要求，具有很好的应用前景。
【关键词】机械手；PLC；控制系统；设计
引言
近些年来，我国社会经济的发展水平越来越高，国家工业生产不断强大，科学技术逐渐创新，工业自动化程度随之提高[1]。机械手自上世纪五十年代末出现，1972年中国研发的机械手诞生，引领全国科研人员进行机械手的研发和应用。至今为止，机械手仍在不断更新和提高[2]。PLC作为一种可编程逻辑控制器，具有强大的逻辑控制能力，PLC控制下的机械手已在各行各业得到了较为广泛的应用，获得了各界人士的认可[3]。因此本文结合笔者的设计经验和工作需要，拟开展基于PLC的机械手控制系统的设计工作。
1机械手的组成
机械手技术涉及学科比较广，包括机械、力学、自动控制等学科，还有计算机技术、电气技术的应用。主要由驱动机构、控制机构、执行机构、位置检测机构等部件组成，实现自动化定位控制。
1.1驱动机构
分为气动、液动、电动、机械式四种形式。气动，以压缩空气实现驱动要求，反应速度快，结构简单，制造工艺性较好，成本低，使用寿命长，易于维护和调节；液动，以压力油进行驱动，惯性小、冲击小、工作平稳，易控制易调节，操作方便，可实现连续控制；机械驱动，是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式，采用点位控制或者机械式的挡块定位控制，动作简单；电控，驱动机构为电机，通过PLC，实现多方位自动控制，控制方式多变化，操作定位更精确，用途和通用性更广，是目前常用的驱动方式。
1.2控制机构
控制机构是实现动作顺序、动作位置、动作启停以及信号采集的主要部件。对于气动、液动和电动机构，由控制机构来实现动作时间、动作速度和加减速的控制。现在一般采用可编程的运动控制器控制，伺服电机系统实现动作要求，主要控制电机动作顺序以及坐标位置。
1.3执行机构
要求：响应速度快、动作灵敏度高、动态性能好、动静态精度高、效率可靠性高。执行机构，主要是控制机构采集控制信号，当信号产生变化时，输出给执行机构相应的动作变化，被称为实现生产过程控制的手足。
1.4位置检测机构
位置检测装置，是机械手的重要组成部分，由检测元件和信号处理装置组成。在闭环或半闭环控制系统中，实时检测执行机构的位移、角度、速度等信号，变换成控制单元所需要的控制形式，将运动部件位置实时反馈给控制机构，实现机械手位置、扭矩闭环控制。整个机械手的控制精度，在很大程度上，由位置检测机构的精度决定。
2机械手控制机构PLC硬件设计
针对机械手的应用情况，不同的信号采集，PLC配备了各种接口，方便配置相应的I/O模块，包括开关量输入/输出模块、模拟量信号采集、模拟量信号输出模块、通信接口模块等。PLC在机械手控制过程中的基本作用是接收上位机或外界按钮传来的控制信号，将质量转化为机械手的控制动作。
本次选用了台达DVP系列运动控制器，DVP-50MC是基于EtherCAT 总线的多轴运动控制器，总线传输速率达到100Mbps，采用分布式时钟，可以快速、准确、高效的传输数据。
编程器CANopen Builder编写程序时，使用梯形图，编程快捷简单。强大的库文件，单轴的位置、速度、扭矩、等运动指令库直接调取使用，多轴控制指令也能够满足各种使用方式。强大的现场网络，可组建功能复杂的控制系统。种类众多的IO 扩展，使用简单、功能完整，方便应用。
考虑机械手的工作环境，上位机选用研华工控机，研华工控机主要优点是耐腐蚀，抗灰尘，抗振动，抗辐射，带橡胶垫固定压条的独特设计可有效防止卡在受到冲击震动时造成损坏，能够在恶劣的环境下持久稳定运行。
3机械手控制机构软件设计
3.1 PLC软件设计
编程之前，第一要硬件组态，设定PLC主机的相关参数，以及对所搭建的模组进行组态配置与参数设定。第二网络规划，进行网络架构、网络部署、COM通讯资料交换、Ethernet通讯资料交换等网络组态，配置通讯参数地址。第三建立程式，按机械手动作要求编写控制逻辑，于CANopen Builder编辑器上编写程序，并在编写完成后进行编译工作。最后进行程序的测试与除错，无报错后，将编译完成的程序包括硬件与网络组态参数下载至PLC运行，并可以进行线上监控以及参数在线更改。
3.1.1 伺服电机配置与控制
PLC通过EtherCAT总线控制多轴伺服运动。EtherCAT 总线是基于以太网的现场总线，目前使用比较多的协议有两种：COE（CANopen Over EtherCAT）和SOE(Sercos Over EtherCAT）,DVP-50MC 系列运动控制器采用COE 协议。
网络配置完成后，需配置各个轴参数，包括轴名称、轴站号、轴类型（线性轴/旋转轴）和单元（导程单位）、通讯参数（速度、位置、扭矩、温度等参数）、电子齿轮比、原点回归模式等参数。其中电子齿轮比需要根据机械结构传动比，设定伺服电机转一圈需要多少个脉冲信号。
3.1.2与上位机通讯
DVP-50MC控制器通过以太网与上位机通讯，选用Modbus通讯方式。报文结构ASCII,通讯数据包括：起始字符、通讯站号、功能码、数据、LRC校验码、结束字符。在CANopen Builder编辑器上需配置通讯数据，例如配置一个字符的装配地址为%IW0，对应Modbus地址0x8000，表示该字符为读取；配置一个字符的装配地址为%QW0，对应Modbus地址为0xA000，表示该字符为写入。
3.2 Labview软件设计
Labview的功能可以实现信号处理、分析和连接， PID计算、模糊控制原理、信号分析、控制模块与仿真模块，实现运动控制的仿真与动作实现；Modbus数据通讯模块，与PLC实时数据传输；数据记录模块， Microsoft Office报表生成工具包，数据库连接配置模块，可以快速记录、管理工作过程中的数据，按要求生成记录报表。
4应用效果评价
为了验证机械手的设计效果，将其应用于企业高温件加工生产线中进行了为期半年的试用。相较于以前人工操作，机械手成功代替了人工，实现了自动化生产。统计得到该生产线的生产效率提升近20%，单件生产成本降低6%，预计会为企业创造30万/年的经济效益，取得了很好的应用效果。
5结束语
工业水平的不断提高，对机械手需求增多，逐步扩大了对机械手的使用，机械手自动化控制技术将是未来机械发展的主要趋势。根据生产线机械手功能提出的技术要求，完成了PLC控制系统的硬件、软件、上位机等设计。机械手应用于企业生产能够满足设计要求，取得了很好的应用效果。
参考文献：
[1]文方, 房弛, 陈芳. 基于PLC的机械手控制设计[J]. 机床电器, 2009(03):37-39.
[2]李景魁. 基于PLC的机械手控制系统设计[J]. 煤矿机械, 2012, 033(010):147-148.
[3]王月芹. 基于PLC的机械手控制系统设计[J]. 液压与气动, 2011, 000(009):41-43.