机械手是最早的工业机器人，它可以模仿人的手和手臂的某些动作功能，从事工业生产、抓取、搬运等自动操作设备。它可以在各种恶劣的环境中工作，完成工人不想完成或不能完成的危险和繁重的工作，减少劳动强度，保证工人的人身安全，改善工作环境。同时具有自动化程度高、效率高、精度高等优点。广泛应用于冶金、汽车制造、轻工、化工等领域。本文采用PLC和单片机技术对机械手进行控制，实现了对小圆柱形工件的反复准确处理。

图1 机械手装配效果图

图2 手爪结构图

1.机械手结构

机械手由底座、臂部、手腕和手部组成，图1为机械手的装配效果图。

为了扩大运动范围，整个机械手可以沿导轨水平运动，由步进电机驱动，通过同步齿带驱动矩阵，实现整个机械手的水平运动。基座采用步进电机驱动实现旋转，节省了传动过程，具有较高的传动效率。由于位置块有限，旋转有一定的角度限制。大臂、小臂和手腕的旋转由三台直流电机直接驱动，用于调整手臂的姿态。底座内有一定的空间，旋转座椅和大臂来加载驱动电机。大臂驱动电机直接通过固件驱动大臂驱动，传动效率高，小臂驱动电机驱动小臂通过齿形带旋转，传动比高且稳定。该爪用于抓取工件的关键部件，考虑工件的形状，选择改进的V形手指，将V形转向圆弧，更适合于圆工件的夹紧，如图2所示。爪由舵机驱动，主动轮与舵机连接，驱动从动件轮旋转，将转向机构的旋转转化为手指的夹紧和松动作用。

该机械手不考虑手爪夹紧和松开，具有五个自由度，分别为基体平移、底座旋转、大臂旋转、小臂旋转和手腕旋转。其主要运动参数有基体水平移动范围0～800mm；②底座旋转范围-160°～150°；③大臂的有效转动范围为30°～150°；④小臂的转动范围均为0°～220°；④手腕的转动范围为±180°；⑤手爪最大张紧力为15kg。

2.机械手控制要求

五自由度机械手要求能在6个工位之间完成工件搬运，各工位点位置图如3所示。

机械手有手动和自动两种工作方式。手动操作时，机械手可以分别控制大臂、小臂、手腕和爪的运动。当机械手自动工作时，机械手完成了复位、喂入、喂料等一系列动作。

复位时，按“复位”按钮，机械手座旋转到原来的位置，水平移动到左侧原位传感器停止，大臂、小臂、手腕和手爪都处于复位状态，等待。如果机械手在操作过程中，按“复位”3s，系统就复位。

拾取物料时，复位完成后，按“开始”按钮，水平移动机械手，将基座旋转到位，并在指定的位置完成一系列拾取动作。

进料时，机械手完成后，机械手水平移动，基座就位旋转，在目标站上完成一系列的卸料部件。完成后，机械手被重置并自动停止。

如果机械手在移动过程中，按下“停止”按钮，机械手完成当前动作并停止运行，按下“启动”按钮，机械手继续下一个动作；按“紧急停止”开关，机械手立即停止所有动作，此时，如果需要再次运行机械手，则需要在复位完成后，再按“复位”按钮，才能重新运行。

图3 机械手搬运工位点位置图

3.机械手控制系统

机械手电气控制系统结构图如图4所示，其核心控制器采用PLC和单片机控制器相结合，PLC主要负责机械手水平位置、底座旋转位置控制，实现精确定位；单片机控制器负责控制大臂、小臂、手腕和手爪的动作，完成手臂姿态（取工件、放工件）控制，同时PLC和单片机之间信号进行通信。人机交互设备采用触摸屏，对机械手的操作控制除外部控制按钮外，也可通过触摸屏进行控制，同时，机械手的运行过程中的工作状态和故障情况可通过触摸屏加以显示，方便实时监控。

图4 控制系统结构图

3.1 机械手硬件设计

该机械手共有6台电动机驱动，电动机的选择主要根据转速和转矩等指标，根据系统要求，电动机转速不小于10r/min，转矩按电动机2倍过载系数即可满足要求。综合分析，基体平移驱动电机选三相步进电机，驱动器选雷赛科技3ND583步进驱动器；底座旋转驱动电机选二相步进电机，驱动器选雷赛科技M542步进驱动器；大臂电机选10r/min、30W的空心杯减速电机；小臂电机选20r/min、DC24V的直流减速电机；手腕旋转电机选10r/min、DC24V的涡轮减速电机；手爪舵机型号CYS-S0150，最大15kg。电机的接线图如图5所示。

图5 电机接线图

为了对步进电机进行控制，PLC选择能接收高速脉冲的晶体管输出型可编程控制器，选用日本三菱FX1N-24MT，具有高速运算能力、同时可以输出2路脉冲输出控制2台步进电动机的优点。

3.2 机械手软件设计

PLC输入、输出信号及其地址编号见表1。

表1 PLC输入、输出信号及其地址编号表

单片机负责机械手手臂姿态的控制（取、放工件），取放信号出厂时便封装在单片机内部，不同的输出分配，动作也不同，取放控制信号及位置编码信号对应单片机控制编码见表2。

表2 取放控制信号及位置编码信号对应表

图6 动作流程图

以机械手自动模式下，将2号位的工件搬运至4号位，之后再将1号位的工件搬运至3号位为例，其动作流程如图6所示。

在PLC编程中，采用加减速高速脉冲输出指令、PLSR指令对步进电机进行控制，通过设置脉冲频率来设置步进电机的转速或定位对象的运动速度。频率越高，速度越快。通过设置脉冲数来设置步进电机的旋转角度或定位物体的运动量，脉冲数越大，角度(移位量)就越大。同时，可以通过设定加减速时间来实现频率的增加、频率的稳定和频率的减小，以满足运动速度和位置的精度要求。

4 总结

五自由度机械手采用PLC与单片机相结合的控制方式，驱动步进电机、直流电机和舵机，借助传感器，可由各自由度控制机械手，方便、准确地实现机械手的位置控制，完成物料搬运任务。