随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。

一 四轴联动简易机械手的结构及动作过程

　　机械手结构如下图1所示，有气控机械手（1）、XY轴丝杠组（2）、转盘机构（3）、旋转基座（4）等组成。

图1 机械手结构图

　　其运动控制方式为：（1）由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手（有光电传感器确定起始0点）；（2）由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动（有x、y轴限位开关）；（3）可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转（其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成）；（4） 旋转基座主要支撑以上3部分；（5）气控机械手的张合由气压控制（充气时机械手抓紧，放气时机械手松开）。

　　其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。

　　步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。

二 控制器件选型

　　为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：

1. 步进电机及其驱动器

　　机械手纵轴（Y轴）和横轴（X轴）选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3A/相（峰值），通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。

2. 伺服电机及其驱动器

　　机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式（脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz ；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C 通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。

3. 直流电机

　　可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。

4. 旋转编码器

　　在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的精确定位。

5. PLC的选型

　　根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。

三 软件编程

1. 软件流程图

　　流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。

图2 软件流程图

2. 程序部分

　　由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。

图3 程序列表

四 结束语

　　四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，更可通过接口元器件与计算机组成。

　　PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。 

下面一段程序如果最后一条指令前面没有注释符号“//”，在下载后不能成功地切换到运行模式，SF灯亮。

最后一条指令加上注释号（该指令不起作用），运行出错时在CPU模块信息的诊断缓冲区中，有下面的诊断信息：

事件8 / 15:  事件ID 16# 2523

写入时发生区域长度错误

全局DB，双字访问，访问地址：65532

OB 编号：      1

模块地址：    30

所需的OB：编程错误OB (OB121)

在当前工作模式下，OB 未找到、或被禁用、或无法启动

内部错误, 进入的事件

错误的原因是未给MW50赋值，其值为0，下面的减法运算结果为16#FFFF：

L     MW    50

 L     1

 -I    

导致最后一条间接寻址指令“ T    DBD [AR1,P#0.0]”的地址值远远地超出了DB1定义的范围（200字节）。

值得注意的是必须用“//”临时将最后一条指令屏蔽，才能对程序进行监控，从而发现问题。

任何一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。因此，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则：

　　1．充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。

　　2．在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。

　　3．保证控制系统安全可靠。

　　4．应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。

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【主营产品】

1：Invensys Foxboro（福克斯波罗）：I/A Series系统，FBM（现场输入/输出模块）顺序控制、梯形逻辑控制、事故追忆处理、数模转换、输入/输出信号处理、数据通信及处理等。

2：Invensys Triconex: 冗余容错控制系统、基于三重模件冗余（TMR）结构的最现代化的容错控制器。

3：Westinghouse（西屋）： OVATION系统、WDPF系统、WEStation系统备件。

4：Rockwell Allen-Bradley: Reliance瑞恩、SLC500/1747/1746、

MicroLogix/1761/1763/1762/1766/1764、CompactLogix/1769/1768、

Logix5000/1756/1789/1794/1760/1788、PLC-5/1771/1785等。

5：Schneider Modicon（施耐德莫迪康）：Quantum 140系列处理器、控制卡、电源模块等。

6：ABB：工业机器人备件DSQC系列、Bailey INFI 90等。

7：Siemens(西门子)：Siemens MOORE， Siemens Simatic C1，Siemens数控系统等。

8：Motorola（摩托罗拉）：MVME 162、MVME 167、MVME1772、MVME177等系列。

9：XYCOM：I/O 、VME板和处理器等。

10：GE FANUC(GE发那科)：模块、卡件、驱动器等各类备件。

11：Yaskawa（安川）：伺服控制器、伺服马达、伺服驱动器。

12：Bosch Rexroth（博世力士乐）：Indramat，I/O模块,PLC控制器,驱动模块等。

13：Woodward（伍德沃德）：SPC阀位控制器、PEAK150数字控制器。

14:工业机器人系统备件。

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 　　Fireye EUV1 UV

 　　Fireye EUVS4

 　　Fireye EUVS4 45UV5

 　　Fireye FY-EP160

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 　　Fireye Mart1 FFRT4

 　　Fireye MART1T

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 　　Fireye MAUV1 UV

 　　Fireye MAUV1T

 　　Fireye MAUV1t UV

 　　Fireye MBHPS100D

 　　Fireye MBHPS-100D

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 　　Fireye MBUVS-301D UV

 　　Fireye MC120

 　　Fireye MC120 MART1T MP562

 　　Fireye MC230

 　　Fireye MEC120

 　　Fireye MEC120 61-5042

 　　Fireye MEC120 D

 　　Fireye MEC120D

 　　Fireye MEC-120D

 　　Fireye MEC120R

 　　Fireye MEC120RC

     Fireye MED1

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 　　Fireye MED3

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 　　Fireye MEIR4

 　　Fireye MEP100

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 　　Fireye MEP102

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 　　Fireye MEP230

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 　　Fireye MEP536

 　　Fireye MEP560

 　　Fireye MEP561

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 　　Fireye MERT4

 　　Fireye MEUV1 UV

 　　Fireye MEUV4 UV

 　　Fireye MEUVS4

 　　Fireye MODEL MEC120D

 　　Fireye MP100

 　　Fireye MP100E

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 　　Fireye MP230H

 　　Fireye MP561

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 　　Fireye MT 901

 　　Fireye MT20-10

 　　Fireye MT3010

 　　Fireye MT30-10

 　　Fireye MT30-4

 　　Fireye MT5-5

 　　Fireye MT60-10

 　　Fireye MT7-4

 　　Fireye MT90-4

 　　Fireye NX04-1

 　　Fireye NX1466-1

 　　Fireye NX3100

 　　Fireye NX550

 　　Fireye PD4 70D40

 　　Fireye PS348-3

 　　Fireye PS348-4

 　　Fireye PS348-6

 　　Fireye PS348-7

 　　Fireye PSA 2-5F

 　　Fireye PSA 2-5F 

　　Fireye PSA12F

 　　Fireye PSAD

 　　Fireye PSMH12F

 　　Fireye PSMH30

 　　Fireye PSMH60F

 　　Fireye PSMH6F

 　　Fireye PSML 2-5F

 　　Fireye PSML12F

 　　Fireye PSML30

 　　Fireye PSML6F

 　　Fireye PXMS-200

 　　Fireye R9008M-4001

 　　Fireye TFM-1D

 　　Fireye TFM-2

 　　Fireye TFM-2A90

 　　Fireye TFM-3

 　　Fireye TS348-4

 　　Fireye TYPE25SU3-4170

 　　Fireye UV1A3

 　　Fireye UV1A3 UV

 　　Fireye UV1A3-B

 　　Fireye UV1A6

 　　Fireye UV-1A-6

 　　Fireye UV-2

 　　Fireye UV8A

 　　Fireye UV-EYE 45UV3

 　　Fireye UV-Eye 45UV5-1009

 　　Fireye UVM1D

 　　Fireye UVM-1D

 　　Fireye UVM-1F

 　　Fireye UVM2A30

 　　Fireye UVM-IF

 　　Fireye YB110UV

 　　Fireye YB110UVSC

 　　Fireye YP100

 　　Fireye YP138

 　　Fireye ZB110IR

 　　Fireye ZB110UV

     Fireye 5RU8-6580

 　　Fireye 1004

 　　Fireye 129-145-1

 　　Fireye 129-145-1 ED510

 　　Fireye 129-2

 　　Fireye 129-66 C

 　　Fireye 19UVPS-2120

 　　Fireye 2227 EP340

 　　Fireye 24CJ5

 　　Fireye 24CJ5-5010

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 　　Fireye 25SU3-2000

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 　　Fireye 26RJ8

 　　Fireye 26RJ8 6080D

 　　Fireye 26RJ8 CB1

 　　Fireye 26RJ8-1008

 　　Fireye 26RJ8-6008-CFR

 　　Fireye 26RJ8-6058

 　　Fireye 26SJ5

     Fireye 45UV5-1000 45UV5-1009

     Fireye DE601-104F 15-601-935

 　　Fireye C7012A1061 48PT1

 　　Fireye CATEB-700/94510021

     Fireye MEC120 MEP100 61-5042

 　　Fireye EB-700 EB700 EP170 EUVS4

 　　Fireye EB-700 ED500 EP170 EUVS4 60-14662

 　　Fireye E110 EP160 ED510 E1R1

 　　Fireye E110/EP160EUV1

 　　Fireye 26SJ5-6152-CFR

 　　Fireye 275-143-603720

 　  Fireye MEC120RC MEP560 MEUV1 61-3060

 　　Fireye MEC120RC MEP560 MEUV4 61-3060