2D通用机械手是一种可实现智能定位、模拟真人操作、重新编程，并能进行2D平面作业的机电设备。由于工业技术的飞速发展。自动化程度的不断提升，在工业生产现场，对于重复生产工序可采用机械手作业来完成，不但降低了人力成本，提高了生产效率，而且在一些较为危险的作业环境中，可减少不必要的人身伤害。

　　本文根据2D通用机械手的设计要求，设计了具有4自由度的2D通用机械手，并给出了主要的PLC控制程序。机械手实现了在2D空间内的稳定运行。

　　1 设计要求

　　机械手的设计要求为：在启动机械手作业系统之后，首先需对其进行初始化，初始化内容包括三部分131：手爪、手指需处于最大张开位置;手臂缩回回位;手臂回位。值得注意的是，为了加快初始化过程，初始化的三部分需同步进行。机械手的作业过程，可分为5个步骤：

　　(1)在机械手启动以后，控制系统根据工件的坐标位置，解算出驱动手臂伸缩的步进电机、驱动躯干旋转的步进电机的运动步数，旋转与伸缩过程同步执行，机械手手指运动到工件上方5 cm位置停止;

　　(2)位于机械手手掌的红外传感器检测出待加工工件;

　　(3)PLC驱动机械手手指作收紧动作。待手指检测到待加工工件后，停止收紧动作并延时1 s，然后工件竖直向上移动5 cm;

　　(4)根据工件实际位置与目标位置，计算电机行进步数，并将工件放置于目标位置;

　　(5)延时1 S，机械手手指逐渐张开，最后工件释放。

　　当作业过程完成后，进入下一个循环。

　　2 设计方案

　　该2D通用机械手具有4自由度，分别为：手臂的前后伸缩，手臂竖直移动，躯干的水平旋转，手指张开、收紧。根据设计要求，可简化为：手指夹紧，手臂伸缩，躯干旋转。

　　2.1 手指夹紧

　　该机械手手指在本质上为1只移动卡具，但要求机械手手指具有合适的夹紧力，其夹紧精确度以及速度均要符合夹紧工序要求IS]。本文所设计的夹紧装置，由PLC驱动手指实现张开与收紧动作，在手掌与手指上，均配置有红外传感器，用于检测工件位置。

　　2.2 手臂伸缩

　　手臂是用于连接机械手手指与躯干的关键环节。本文所设计的机械手手臂，可完成伸缩与竖向移动两个动作。在伸缩与竖向移动过程中，控制系统需要根据工件坐标，计算电机的行进步数，从而由步进电机驱动丝杆，实现机械手臂的伸缩与竖向移动。这里采用了丝杠+螺母的传动机构，其工作稳定、精确。

　　2.3 躯干旋转

　　躯干作为该2D通用机械手的支撑装置，可以实现自转，并带动机械手上其他机构在水平面内旋转。在驱动躯干旋转的步进电机上，安装有1只光电旋转编码器，其每转动lo，发送出3个脉冲，由PLC采集光电旋转编码器所发送出的脉冲数，并转化为躯干所转动角度。在躯干上，配置有旋转限位开关，其最大转动角不会大于180°。

　　3 控制系统

　　系统采用MITSUBISHI公司的FXlN系列PLC，其中，输入继电器点位：36，输出继电器点位：24。该机械手的PLC控制程序可划分为四部分：主程序，自动控制模式程序，手动控制模式程序，初始化程序。这里着重介绍前面3部分。

　　3.1主程序

　　系统主程序流程如图1所示。当继电器Y006复位、上限位X017得电、后限位X021得电时，继电器M0置ON。这时机械手位于初始位置。若操作人员启动PLC控制程序，M8002置ON，无论PLC控制系统处于“手动”(X000置ON)或者“回原位”(X001置ON)，系统均可进入初始化程序(M10置ON)，做好“连续工作”准备。若M0置OFF，则M10复位(置OFF)，PLC控制系统将不能进人“连续工作”模式。

　　图1 系统主程序

　　3.2自动控制模式程序

　　自动控制模式的PLC程序如图2所示。当机械手位于初始位置时，按下X004按钮启动自动控制程序，系统状态切换至S1，PLC控制机械臂前伸(Y003得电)，待前限位开关得电(x020置oN)时，系统状态切换至s2，此时S1复位。PLC控制机械手顺时针旋转(Y007得电，X024置ON)，系统状态切换至S3，PLC控制机械臂下降(V002得电，X016置ON)。系统状态切换至S4，PLC控制Y006得电，并延时l s，从而使机械手指具有足够的夹紧力。当定时器定时时间到，系统状态切换至S5，PLC启动机械臂上升，当机械臂到最大高度，X017置ON，系统状态切换至S6。PLC控制机械臂收缩，当收缩到后限位位置，系统状态切换至s7(底逆转动作)。接着系统状态切换至S8，X020置ON，系统状态切换至S9，机械臂下降。当机械臂下降到“下限位”位置时，X016置ON，机械手指张开，系统状态切换至S10。为了确保机械手指完全张开，需延时1 s。待定时器T1定时时间到，系统状态切换至S11，机械臂上升。当机械臂上升到“上限位”位置时，X025置ON，系统状态切换至S13，机械臂缩回。当机械臂缩回到后限位位置时，X021置ON，系统状态切换至S14，躯干旋转，X021置ON，机械手回到初始位置，第二次循环准备。

　　图2自动控制模式

　　3.3 手动控制模式程序

　　手动按下PLC控制系统操作面板上的各个功能按钮，机械手将进行与之对应的动作。在手动操作模式中，每一个机械手动作均考虑了机械自锁或者程序自锁，用于防止单步操作过程中出现危险操作。这里给出了手动控制模式的部分程序，如图3所示。

　　图3 手动控制模式

　　4 结束语

　　本文所设计的控制系统，可实现2D通用机械手的手动与自动模式控制，机械手可在2D空间内，稳定运行。系统采用MITSUBISHI公司的FXlN系列PLC来实现机械手的运动控制，借助于“软接线”技术完成PLC程序控制，控制系统可靠性高，具有一定的灵活性。