基于PLC的多自由度智能移動機械手教學設備的設計與制作

摘要：基于可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）控制的多自由度智能移動機械手教學設備通過創新設計與實際制作，為教學應用提供了一種高效的實踐工具。該教學設備在工業自動化教育中具有重要意義，不僅提升了學生的實踐能力，也為智能制造技術的人才培養提供了有力支持。進一步優化和改進的方向包括提升機械手的精度和響應速度、增加更多的教學功能模塊，以期在未來的教學實踐中發揮更大作用。

關鍵詞：可編程邏輯控制器機械手多自由度智能移動

Designandmanufactureofmulti-degreeoffreedomintelligentmobilemanipulatorteachingequipmentbasedonPLC

WUBowen

（GuangxiUrbanVocationalUniversity，Chongzuo，Guangxi532200，China）

Abstract：Multi-degreeoffreedomintelligentmobilemanipulatorteachingequipmentbasedonProgrammableLogicController（PLC）controlprovidesanefficientpracticaltoolforteachingapplicationsthroughinnovativedesignandpracticalproduction.Theteachingequipmentisofgreatsignificanceintheindustrialautomationeducation，whichnotonlyimprovesthepracticalabilityofstudents，butalsoprs5X32HmJoTIUoT9YncGAcg==ovidesstrongsupportforthetalenttrainingofintelligentmanufacturingtechnology.Thedirectionoffurtheroptimizationandimprovementincludesimprovingtheaccuracyandresponsespeedofthemanipulatorandaddingmoreteachingfunctionmodulesinordertoplayagreaterroleinthefutureteachingpractice.

.KeyWords：Programmablelogiccontroller;Mechanicalarm;Multipledegreesoffreedom;Intelligentmobility

在教學領域，多自由度機械手教學設備能夠幫助學生更好地理解機器人結構特征、運動控制、自動化系統集成與編程等知識。然而，市面上的機械手教學設備成本較高，且功能較為單一。因此，本文設計一種基于PLC控制的多自由度智能移動機械手教學設備，其具有多功能、經濟實用、易于編程等特點，對于培養機器人與自動化人才具有重要意義。首先，簡述了該設備的設計理念、整體結構及其在教學中的應用；然后，探討了PLC控制系統的硬件和軟件設計，包括機械手的多自由度結構、運動軌跡規劃、PLC與伺服系統的通信方式等；最后，總結了該教學設備在教學實驗中的應用效果。

1教學設備的設計理念

本文所設計的機械手教學設備的設計理念圍繞為學生提供一個直觀、易于操作和編程的學習平臺展開，它旨在讓學生通過教學設備輕松地掌握機械手結構與可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）控制系統的基礎知識，并且深入了解多自由度機械手的運動學與動力學特性。在這個設計過程中，強調了幾個關鍵點。

1.1靈活性

靈活性是設計的重點之一。機械手機械設備具有多自由度和移動能力，這使得學生可以在操作中獲得豐富的體驗，這種靈活性可以讓他們更好地理解工程中使用的機械手的結構特征、運動方式和工作原理，從而增強他們的學習興趣和動力。

1.2可編程性

采用PLC的控制系統，學生可以學習并編寫各種各樣的控制程序，這種可編程性使得教學設備不僅是一個靜態的展示工具，而是一個允許學生動手實踐、創造性思維和問題解決的平臺。通過編寫自己的控制程序，學生可以深入理解控制系統的工作原理，提高他們的編程技能，并將理論知識應用到實踐中[1]。

1.3實用性

該機械手教學設備不僅適用于課堂教學和實驗，而且能夠模擬工業應用中的多種場景，這種實用性使得學生不只是學習理論知識，而是能夠將所學知識直接應用到實際工程中。通過模擬真實工業場景，學生可以更好地理解理論知識的實際應用，培養他們的工程實踐能力和解決實際問題的能力。

2整體結構設計

該設備主要由機械手主體、移動平臺、PLC控制系統、通信模塊和操作面板組成。詳細的設計內容如下。

2.1機械手主體

2.1.1核心部件

機械手主體作為整個設備的核心部件，承擔了載重和運動的主要功能。其結構設計和性能指標直接決定了設備的使用范圍和工作效率。

2.1.2六個自由度

本文所設計的機械手機械設備主體具有六個自由度，這意味著它可以在6個方向上進行獨立運動，包括3個軸的移動和3個軸的旋轉。這種多自由度的設計使得機械手可以在三維空間內執行復雜的任務，如抓取、放置、裝配等。六個自由度的靈活性使得機械手可以適應各種不同形狀和尺寸的工件，從而實現多樣化的生產需求。

2.1.3三軸移動

機械手主體的三軸移動主要指沿著X軸、Y軸和Z軸方向的運動，這3個軸的組合使得機械手可以在工作區域內靈活地定位和移動，實現對工件的精確抓取和放置[2]。

2.1.4三軸旋轉

機械手主體的三軸旋轉主要指繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉，這種旋轉功能使得機械手可以在抓取和放置過程中調整姿態，以適應不同的工件形狀和工作環境。例如：在裝配任務中，機械手可以通過旋轉來對齊零件，確保裝配的準確性和穩定性[3]。

2.1.5多樣化任務

機械手教學設備主體具有多個自由度和靈活的運動能力，可以模擬完成多樣化的任務，例如，它可以模擬用于裝配線上的零部件裝配、倉儲物料的搬運、生產線上的包裝和封裝等。在課題設計和應用中，需要充分考慮其功能需求和技術指標。

2.2移動平臺

2.2.1支撐基礎

移動平臺是機械手主體的支撐基礎，它承擔著將機械手主體固定并提供穩定支撐的功能。移動平臺的穩定性和結構設計直接影響到整個系統的運動精度和穩定性。

2.2.2XY平面內移動能力

文本中提到移動平臺具備在XY平面內移動的能力，這意味著它可以在水平方向上自由移動，這種移動能力使得機械手教學設備可以在實驗區域內靈活d1e2316993636f8e0e2f549518ef3061b511584d6a665b7a5308e639ad115831地定位和移動，為機械手設備教學的操作和任務執行提供了必要的空間和條件。

2.2.3定位功能

移動平臺的移動能力使得機械手可以在實驗區域內進行定位，以準確抓取和放置工件。通過精準的定位功能，機械手可以實現對工件位置的精確控制，確保操作的準確性和穩定性。

2.3通信模塊總體設計

（1）硬件設計。核心處理單元：選擇STM32或其他性能可靠的微控制器作為通信模塊的核心，以確保足夠的處理能力。通信接口：設計RS232、RS485、控制區域網絡（ControllerAreaNetwork，CAN）、以太網等接口，用于與PLC、傳感器和其他外部設備通信。電源管理：提供穩壓電路和過流保護，確保模塊在實驗環境下的穩定供電。

（2）軟件設計。底層驅動：為各類通信接口選用驅動程序，包括串口、以太網、CAN等，確保硬件功能的充分利用。通信協議棧：確保模塊具備多協議適配能力。任務調度：采用實時操作系統（Real-TimeOperatingSystem，RTOS）或事件驅動的任務調度機制，保證數據采集和通信的實時性。數據緩存與處理：設計數據緩存機制，以避免數據丟失或混亂，同時進行預處理降低計算負擔。

2.4操作面板設計

2.4.1用戶界面

操作面板作為設備的用戶界面，承擔著用戶與設備之間交互的任務。其設計選型應該簡潔明了，操作界面友好，以確保學生能夠輕松地理解和使用操作面板。

2.4.2功能設計

操作面板通常提供設備的啟動、停止、暫停等基本控制功能，還應該包括參數設置、模式切換、故障診斷等高級功能，以滿足不同操作場景下的需求。對于多自由度智能移動機械手機械設備而言，操作面板可能還需要提供路徑規劃、姿態調整等更為復雜的功能。

2.4.3人機交互

操作面板的設計應該注重人機交互的體驗，包括按鈕設計、界面布局、文字提示等方面。通過合理的設計，可以降低學生的學習成本，提高操作效率，減少操作錯誤的發生。操作面板不僅需要提供控制功能，還需要提供設備運行狀態的監控功能，包括顯示設備的實時運行狀態、報警信息、故障診斷結果等，幫助學生及時發現和解決問題，確保設備的安全穩定運行。

3PLC控制系統設計

3.1硬件設計

3.1.1主控制器

本文所述機械手教學設備選擇西門子S7-1200系列PLC作為核心控制器。該系列PLC具備豐富的I/O接口和通信模塊，支持擴展模塊連接，可以靈活適應不同的硬件配置需求。

S7-1200系列PLC具有以下優勢。高性能：搭載現代化處理器，執行速度快，數據處理能力強。豐富的通信接口：支持PROFINET、RS485、RS232、Ethernet等接口，實現與外圍設備的高效通信。模塊化設計：支持多種擴展模塊，可根據實際需要靈活配置I/O接口、通信模塊等[4]。

3.1.2伺服電機與驅動器

機械手和移動平臺的各個軸均采用伺服電機與驅動器，以實現高精度的運動控制。選擇與機械手結構相適應的伺服電機，以保證高扭矩輸出及穩定的動態性能；搭配與伺服電機型號相匹配的驅動器，支持多種控制模式，包括位置、速度和扭矩控制，以確?？刂凭?。

3.1.3通信模塊

為了實現各組件之間的通信，PLC系統配備了以下通信模塊。RS485通信模塊：用于PLC與伺服電機驅動器之間的通信。Ethernet通信模塊：通過以太網接口與人機界面（HumanMachineInterface，HMI）通信，實現數據的交換與實時監控。

3.2軟件設計

3.2.1運動軌跡規劃

機械手機械設備的運動軌跡規劃包括正向運動學和逆向運動學計算。在逆向運動學中，采用D-H參數法建立機械手的坐標系，確定各關節的旋轉角度及順序。具體規劃過程如下。首先，為各關節和終端執行器建立坐標系，以D-H參數法描述各關節的位置與姿態關系。隨后，根據機械手的結構與各關節的安裝位置，計算并列出D-H參數。最后，根據終端執行器的位置與姿態，通過D-H參數法，計算各關節的旋轉角度。

3.2.2PLC程序開發

PLC程序主要負責機械手與移動平臺的控制與通信。程序設計模塊如下。位置與姿態控制模塊：根據預設的軌跡與目標點計算各關節角度，PLC發出控制指令。速度控制模塊：確保伺服電機在加速和減速過程中保持平穩，防止過沖和振動，控制移動平臺的運動軌跡，保證平臺在移動過程中與機械手的同步。通信模塊：負責PLC與伺服驅動器及HMI之間的通信，實現數據交換與狀態監控。

程序模塊功能體現在以下幾方面。（1）初始化模塊：在系統啟動時，對PLC系統進行初始化，包括設定初始狀態、讀取初始參數等。（2）姿態與位置控制模塊：根據終端執行器的目標姿態與位置，計算各個關節的旋轉角度，并將控制指令傳遞給伺服驅動器。（3）軌跡規劃與速度控制模塊：根據軌跡規劃結果，計算每個關節的速度和加速度，確保伺服電機平穩運行。（4）移動平臺控制模塊：根據預定軌跡控制移動平臺的移動，確保機械手的有效操作范圍。（5）人機界面通信模塊：負責PLC與HMI之間的數據交換，實現實時監控與狀態顯示。

3.3通信方式

PLC控制系統與伺服電機驅動器、HMI及其他設備通過以下方式進行通信。

3.3.1RS485通信

用于PLC與各伺服電機驅動器之間的通信。RS485接口的主要特點是抗干擾能力強、通信距離長，適用于多臺設備之間的互聯。通過RS485總線，PLC可以實現對各軸伺服電機的獨立控制。

3.3.2Ethernet通信

用于PLC與HMI之間的通信。Ethernet接口提供高帶寬和穩定的通信方式，確保實時數據交換和狀態監控。通過HMI，用戶可以查看機械手與移動平臺的實時狀態，調整軌跡規劃參數，并通過HMI直接控制設備[5]。

3.3.3I/O接口

用于連接限位開關、光電傳感器等外圍設備，實現硬件信號交互。限位開關可用于檢測機械手的極限位置，防止越限運行。光電傳感器可用于檢測機械手或移動平臺上的工件，作為軌跡規劃的參考信號。

4．教學應用與實驗案例分析

4.1教學應用

4.1.1電氣控制與PLC

在“電氣控制與可編程邏輯控制器”這門課程中，學生通過編寫PLC程序學會如何利用PLC來控制機械手的運動。機械手的精密運動依賴于PLC的準確控制，因此，該課程中的實驗使學生能夠全面掌握PLC編程與控制機械手的方法，并培養學生對自動化系統的綜合控制能力。通過實踐，學生可以加深對PLC基本原理的理解，進而掌握編寫邏輯控制程序的技巧，包括輸入輸出配置、定時器、計數器的使用，以及復雜順序邏輯的實現。

4.1.2機器人技術基礎

“機器人技術基礎”課程重點內容部分講授機器人結構、運動學、動力學與軌跡規劃的理論知識。學生通過研究機械手機械設備的正向與逆向運動學計算方法，通過教學設備實踐教學，將學習如何實現多自由度機械手的精確運動控制。通過實驗，學生可以深入了解機械手的運動規律，掌握各個關節的旋轉角度、位置和速度的計算方法。同時，軌跡規劃實驗能讓學生親自設計機械手的運動軌跡，提升他們對復雜運動控制問題的解決能力。

4.1.3自動控制原理、工業機器人現場操作與編程

機械手教學設備要求學生將機械手與PLC、HMI等多個自動化設備組合起來，實現一個完整的自動化系統控制，是一個自動化系統集成。在實驗中，學生將機械手通過PLC控制，利用HMI作為監控界面，實現對整個系統的監控與操作。該實驗可以幫助學生培養綜合設計自動化系統的能力，同時了解各個組件之間的交互與通信，從而學會設計、優化和實現復雜的工業自動化項目，加深對于“自動控制原理”“工業機器人現場操作與編程”兩門課程的學習。

4.2實驗案例

實驗名稱：機械手物料抓取與搬運

實驗目的：掌握機械手的運動學與逆向運動學計算方法；學習PLC程序編寫，控制機械手完成物料抓取與搬運

實驗設備：基于PLC的多自由度智能移動機械手教學設備

實驗步驟包括以下幾個方面。首先，規劃物料抓取與搬運的軌跡，明確機械手的初始位置、終止位置及途徑的關鍵點位置。根據各關節的自由度及其運動特性，計算出每個關鍵點處各關節的旋轉角度和運動順序。其次，使用梯形圖編寫PLC程序，實現機械手的軌跡控制。該程序應包括輸入輸出配置與定義、各關節的運動邏輯、軌跡控制策略（如初始位置復位、抓取動作及搬運軌跡）及定時器與計數器的應用。再次，控制機械手按照設定軌跡抓取方形物料，并將其搬運到指定位置。此過程中，需特別注意抓取動作的準確性，以及搬運過程中的平穩性和速度控制[6]。最后，根據實驗要求，將機械手安裝在一個移動平臺上，通過調整移動平臺的位置，實現機械手跨區域的物料搬運能力。通過PLC程序與軌跡規劃的組合控制，學生能夠充分掌握移動平臺與機械手協同作業的原理。

實驗結果：機械手成功實現對物料的抓取與搬運，軌跡準確，實驗效果理想。通過實驗，學生能夠掌握多自由度機械手的運動學與逆向運動學計算方法，以及PLC編程和自動化控制系統集成的技能。

5結語

本文所述教學設備在機器人技術專業、機械設計制造及自動化專業教學中應用較廣，除以上所述幾門課程外，還可以用于“數控技術”“伺服電機與驅動技術”“電機與拖動技術”“機械設計基礎”“機器人及零部件結構設計”“先進制造技術”等多門課程的教學，具有重大的推廣和應用價值。

參考文獻

[1]李利娟.基于PLC的送料機械手控制系統設計[J].中國設備工程，2023（7）：138-141.

[2]趙雷.基于Solidwork的機械臂結構優化設計[J].蘭州工業學院學報，2022，29（1）：54-59.

[3]馮小廣，劉磊.六自由度機械臂參數化設計[J].軟件導刊，2022，21（2）：154-158.

[4]孫霖.攜帶機械臂的履帶救援機器人設計與仿真實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2020.

[5]齊彬.輕型機械臂結構設計及仿人運動方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

[6]吳博文.基于PLC多自由度智能移動機械手教學設備的設計制作[J].中國新通信，2023，25（7）：89-91，7.