機械手是一種能模擬人的手臂動作，按照設定程序、軌跡和要求，代替人手進行抓取、搬運工件或操持工具的機電一體化自動裝置。三自由度機械手又稱3D機械人，能夠實現三個自由度方向（水平、垂直和旋轉）的抓取或放置物品，具有操作范圍大，靈活性好，應用廣泛的特點。

可編程控制器（PLC）是一種專門為工業應用而設計的進行數字運算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高，功能強，編程簡單，人機交互界面友好等特性而廣泛用于工業控制系統。

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環執行元件。在非超載情況下，電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數目。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性誤差而無累計誤差的特點，使其在速度、定位等控制領域應用得非常廣泛。

機械手按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式和機械式機械手。本文設計的三自由度機械手屬于混合式機械手，它綜合了電動式和氣動式機械手的優點，既節省了行程開關和PLC的I／O端口，又達到了簡便操作和精確定位的目的。

1 三自由度機械手的系統結構與運動方式

三自由度機械手為圓柱坐標型。圖1為機械手結構示意圖，機械手手臂的左右運動（水平方向）由伸縮步進電機控制，上下運動（垂直方向）由升降步進電機控制，逆時針和順時針旋轉運動則由底盤直流電機的正反轉控制。機械手的夾緊裝置采用關節結構，其夾緊與松開用氣壓驅動，并由電磁閥控制。

機械手可以根據設定程序的動作將工件從A處搬運到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開關，SQ3，SQ4為原點位置和終點位置的光接近開關。

2 三自由度機械手控制系統設計

三自由度機械手系統設置了手動工作方式和自動工作方式。自動方式又分為自動回原點、單步、單周期、連續四種工作方式。

2．1 硬件設計

主控制系統選用三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC，步進電機驅動器選用SH-20403型模塊。機械手的外部接線圖如圖2所示。

機械手在最上面、最右邊，底盤轉至光接近開關X3處且夾緊裝置松開時稱系統處于原點狀態。X10為手動控制按鈕，按下該按鈕后，可以進行按鍵開關X20～X27對應的手動操作。X11～X15分別為自動方式中的回原點、單步、單周期和連續工作方式按鈕，按下其中的某一個按鈕，再按起動按鈕X0，該工作方式的動作就會自動執行。步進電機只有在有脈沖信號（Y0）和方向信號（Y2或Y3）輸入時才會轉動，Y6，Y7選擇將脈沖信號Y0送至哪個步進電機。Y5控制送氣電磁閥，實現夾緊裝置的夾緊與松開。Y10，Y11控制底盤直流電機的正反轉。

2．2 軟件設計

在選擇單步、單周期和連續工作方式前，系統應當處于原點狀態。如果不滿足這一條件，可以選擇回原點工作方式，該工作方式依次執行以下操作：向上運動至上限位x1→向右運動至右限位X2→順時針轉動至光接近開關X3→夾緊裝置松開。

機械手自動工作方式的順序功能圖如圖3所示。機械手手臂的運動速度由輸入步進電機的脈沖頻率控制，機械手下降及左行的距離由脈沖數控制，脈沖頻率和脈沖數可以根據工業現場的實際情況在程序中設定，具有可重復操作性。

本系統采用的是PLC梯形圖順序編程的方法。其中以PLSY脈沖輸出指令輸出脈沖，用MOV指令設定脈沖個數，指定脈沖輸出完后，指令執行完成標志M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系統中兩個步進電機均需要脈沖輸入，設計中采用兩個外部繼電器解決了該問題。將Y0輸出的脈沖同時接至兩個繼電器動觸點，兩繼電器的常開觸點分別與兩塊步進電機驅動器的脈沖輸入端相連，Y6，Y7接到兩繼電器的控制端，這樣就可以通過Y6，Y7來控制步進電機的脈沖輸入。

3 系統的MCGS組態環境

MCGS是為工業過程控制和實時監測領域服務的通用計算機系統軟件，具有功能完善，操作簡便，可視性好，可維護性強的突出特點。圖4為三自由度機械手系統工作時的MCGS組態環境界面，它包括主界面、手動工作方式界面和自動工作方式界面。

4 結 語

經調試，步進電機的運轉無抖動和失步現象發生，機械手系統處于良好的運行狀態。三自由度機械手系統實現的只是三個自由度方向上的運動，根據工業生產的實際需要，可以對其進一步改進，在夾緊裝置肘部添加腕回轉控制裝置，就能使之成為四自由度機械手控制系統。在條件允許的情況下，也可以采用觸摸屏代替MCGS組態環境對機械手系統進行控制，這樣占用空間小，人機交互界面直觀，操作更方便。