基于PLC控制的工业机械手设计

时间：2025-07-04

第24卷第4期(总第109期)机械管理开发

Vol.24No．4(SUMNo．109)MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT

2009年8月Aug．2009

基于PLC控制的工业机械手设计

张慧鹏，刘小琴，贾毅朝

（运城学院机电工程系，山西

运城

044000）

【摘要】设计了一种基于直流力矩电动机的三自由度工业机械手，论述了该机械手的机械结构及其控制系统的硬机械手；PLC；直流力矩电动机

件、软件设计。该机械手可广泛用于机械生产过程上料、下料等加工任务。【关键词】【中图分类号】

TP241.2【文献标识码】A【文章编号】1003-773X（2009）04-0045-02

0引言接销轴同轴安装。

机械手的PLC顺序控制实际上是一种点位控制。以腰关节为例，要控制腰关节由静止状态

图2

控制原理图

随着我国工业自动化水平的不断提高，在机械加工与制造领域，以及各种装配与包装自动化生产线上，机械手的应用已相当普遍。机械手通常担负着上料、下料等加工任务[1-2]。由于PLC顺序控制具有系统简单、可靠，控制灵活方便等特点，而且从PLC诞生之日起，其最基本、最普遍的应用领域就是在工业环境下的顺序控制，因此，基于PLC顺序控制的机械手在工业自动化领域中得到广泛的应用[3,4]。

启动，旋转一定的角度，采用PLC的顺序控制原理如图2所示。PLC首先通过输出电路驱动电动机旋转，电动机通过齿轮传动，带动腰关节转动；然后，由位置检测电位器将腰关节的实际转角位置信号送入输入电路，在输入电路中，腰关节的实际转角与给定转角位置进行比较，如果腰关节的实际转角位置达到了给定的转角位置，输入电路将产生停转信号送入PLC；最后，

1机械手系统组成与工作原理

本文设计的机械手具有三个自由度，分别由机械

手的腰、肩、肘三个关节进行独立控制和联动，其结构简图见图1所示。现对关节的结构与特性予以说明。

PLC通过输出电路使电动机制动，完成腰关节的运动。

其它关节顺序控制方法与腰关节类似。

1）腰关节。腰关节带动机身在水平面内做旋转运动。

它由直流力矩电动机驱动，由于齿轮系传动形式简单，传动精度及效率也比较高，所以采用三级齿轮减速传动。2）肩关节。肩关节是一种悬臂梁结构，由直流力矩电动机驱动，经过涡轮蜗杆副传动。3）肘关节。肘关节的传动采用摆动螺旋结构，这种机构的特点是稳定可靠、结构紧凑，也由直流力矩电动机驱动。

2控制系统硬件设计

机械手的PLC顺序控制系统设计可以按以下三

个步骤进行：1)进行输出电路的设计。2)进行输入电路的设计。3)根据输入、输出点数与要求进行PLC选型，从而构成完整的硬件系统。

2.1输出电路的设计

机械手各关节的运动是由直流力矩电动机驱动

的。这种电动机反应速度快、线形度好、结构紧凑，并能经常工作于堵转和低速状态，广泛应用于位置或低速伺服系统中。直流电动机的驱动可以采用线性大功率放大器和开关控制两种方案，其中开关控制特别适合PLC顺序控制。因此，只要选择合适的继电器输出型PLC，让PLC直接驱动直流电动机，就会大大简化机械手输出电路的设计。

典型的直流输入、继电器输出的PLC输出接口原

图1

机械手结构简图

理，如图3所示。当PLC内的程序控制其内部电路给继电器线圈通电后，继电器的触点闭合，接通外部输出回路，使接于OUT端的执行元件L通电，从而驱动被控对象产生预定的动作。如果执行元件L就是机械手的某个关节上的直流电动机，当继电器闭合时，电动机

上述机械手各关节的运动位置检测，均采用电位器反馈方式。腰关节的位置检测电位器与腰关节驱动系统的末级齿轮中心轴同轴安装；肩关节位置检测电位器安装在蜗杆轴上；肘关节位置检测电位器与其连

收稿日期：2008-12-08；修回日期：2009-02-18

作者简介：张慧鹏（1980-），男，山西运城人，助教，硕士，主要从事机械设计制造及理论方面的工作。

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第24卷第4期(总第109期)机械管理开发2009年8月

两端上电，则电动机旋转，从而驱动对应关节运动。定时器，因此，选用日本OMRON（立石）公司的C28P型PLC，能够满足机械手顺序控制要求，其主机箱如图

6所示。

图3