基于PLC的多自由度智能移动机械手教学设备的设计与制作

摘要：基于可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）控制的多自由度智能移动机械手教学设备通过创新设计与实际制作，为教学应用提供了一种高效的实践工具。该教学设备在工业自动化教育中具有重要意义，不仅提升了学生的实践能力，也为智能制造技术的人才培养提供了有力支持。进一步优化和改进的方向包括提升机械手的精度和响应速度、增加更多的教学功能模块，以期在未来的教学实践中发挥更大作用。

关键词：可编程逻辑控制器机械手多自由度智能移动

Designandmanufactureofmulti-degreeoffreedomintelligentmobilemanipulatorteachingequipmentbasedonPLC

WUBowen

（GuangxiUrbanVocationalUniversity，Chongzuo，Guangxi532200，China）

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

.KeyWords：Programmablelogiccontroller;Mechanicalarm;Multipledegreesoffreedom;Intelligentmobility

在教学领域，多自由度机械手教学设备能够帮助学生更好地理解机器人结构特征、运动控制、自动化系统集成与编程等知识。然而，市面上的机械手教学设备成本较高，且功能较为单一。因此，本文设计一种基于PLC控制的多自由度智能移动机械手教学设备，其具有多功能、经济实用、易于编程等特点，对于培养机器人与自动化人才具有重要意义。首先，简述了该设备的设计理念、整体结构及其在教学中的应用；然后，探讨了PLC控制系统的硬件和软件设计，包括机械手的多自由度结构、运动轨迹规划、PLC与伺服系统的通信方式等；最后，总结了该教学设备在教学实验中的应用效果。

1教学设备的设计理念

本文所设计的机械手教学设备的设计理念围绕为学生提供一个直观、易于操作和编程的学习平台展开，它旨在让学生通过教学设备轻松地掌握机械手结构与可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）控制系统的基础知识，并且深入了解多自由度机械手的运动学与动力学特性。在这个设计过程中，强调了几个关键点。

1.1灵活性

灵活性是设计的重点之一。机械手机械设备具有多自由度和移动能力，这使得学生可以在操作中获得丰富的体验，这种灵活性可以让他们更好地理解工程中使用的机械手的结构特征、运动方式和工作原理，从而增强他们的学习兴趣和动力。

1.2可编程性

采用PLC的控制系统，学生可以学习并编写各种各样的控制程序，这种可编程性使得教学设备不仅是一个静态的展示工具，而是一个允许学生动手实践、创造性思维和问题解决的平台。通过编写自己的控制程序，学生可以深入理解控制系统的工作原理，提高他们的编程技能，并将理论知识应用到实践中[1]。

1.3实用性

该机械手教学设备不仅适用于课堂教学和实验，而且能够模拟工业应用中的多种场景，这种实用性使得学生不只是学习理论知识，而是能够将所学知识直接应用到实际工程中。通过模拟真实工业场景，学生可以更好地理解理论知识的实际应用，培养他们的工程实践能力和解决实际问题的能力。

2整体结构设计

该设备主要由机械手主体、移动平台、PLC控制系统、通信模块和操作面板组成。详细的设计内容如下。

2.1机械手主体

2.1.1核心部件

机械手主体作为整个设备的核心部件，承担了载重和运动的主要功能。其结构设计和性能指标直接决定了设备的使用范围和工作效率。

2.1.2六个自由度

本文所设计的机械手机械设备主体具有六个自由度，这意味着它可以在6个方向上进行独立运动，包括3个轴的移动和3个轴的旋转。这种多自由度的设计使得机械手可以在三维空间内执行复杂的任务，如抓取、放置、装配等。六个自由度的灵活性使得机械手可以适应各种不同形状和尺寸的工件，从而实现多样化的生产需求。

2.1.3三轴移动

机械手主体的三轴移动主要指沿着X轴、Y轴和Z轴方向的运动，这3个轴的组合使得机械手可以在工作区域内灵活地定位和移动，实现对工件的精确抓取和放置[2]。

2.1.4三轴旋转

机械手主体的三轴旋转主要指绕X轴、Y轴和Z轴的旋转，这种旋转功能使得机械手可以在抓取和放置过程中调整姿态，以适应不同的工件形状和工作环境。例如：在装配任务中，机械手可以通过旋转来对齐零件，确保装配的准确性和稳定性[3]。

2.1.5多样化任务

机械手教学设备主体具有多个自由度和灵活的运动能力，可以模拟完成多样化的任务，例如，它可以模拟用于装配线上的零部件装配、仓储物料的搬运、生产线上的包装和封装等。在课题设计和应用中，需要充分考虑其功能需求和技术指标。

2.2移动平台

2.2.1支撑基础

移动平台是机械手主体的支撑基础，它承担着将机械手主体固定并提供稳定支撑的功能。移动平台的稳定性和结构设计直接影响到整个系统的运动精度和稳定性。

2.2.2XY平面内移动能力

文本中提到移动平台具备在XY平面内移动的能力，这意味着它可以在水平方向上自由移动，这种移动能力使得机械手教学设备可以在实验区域内灵活d1e2316993636f8e0e2f549518ef3061b511584d6a665b7a5308e639ad115831地定位和移动，为机械手设备教学的操作和任务执行提供了必要的空间和条件。

2.2.3定位功能

移动平台的移动能力使得机械手可以在实验区域内进行定位，以准确抓取和放置工件。通过精准的定位功能，机械手可以实现对工件位置的精确控制，确保操作的准确性和稳定性。

2.3通信模块总体设计

（1）硬件设计。核心处理单元：选择STM32或其他性能可靠的微控制器作为通信模块的核心，以确保足够的处理能力。通信接口：设计RS232、RS485、控制区域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）、以太网等接口，用于与PLC、传感器和其他外部设备通信。电源管理：提供稳压电路和过流保护，确保模块在实验环境下的稳定供电。

（2）软件设计。底层驱动：为各类通信接口选用驱动程序，包括串口、以太网、CAN等，确保硬件功能的充分利用。通信协议栈：确保模块具备多协议适配能力。任务调度：采用实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem，RTOS）或事件驱动的任务调度机制，保证数据采集和通信的实时性。数据缓存与处理：设计数据缓存机制，以避免数据丢失或混乱，同时进行预处理降低计算负担。

2.4操作面板设计

2.4.1用户界面

操作面板作为设备的用户界面，承担着用户与设备之间交互的任务。其设计选型应该简洁明了，操作界面友好，以确保学生能够轻松地理解和使用操作面板。

2.4.2功能设计

操作面板通常提供设备的启动、停止、暂停等基本控制功能，还应该包括参数设置、模式切换、故障诊断等高级功能，以满足不同操作场景下的需求。对于多自由度智能移动机械手机械设备而言，操作面板可能还需要提供路径规划、姿态调整等更为复杂的功能。

2.4.3人机交互

操作面板的设计应该注重人机交互的体验，包括按钮设计、界面布局、文字提示等方面。通过合理的设计，可以降低学生的学习成本，提高操作效率，减少操作错误的发生。操作面板不仅需要提供控制功能，还需要提供设备运行状态的监控功能，包括显示设备的实时运行状态、报警信息、故障诊断结果等，帮助学生及时发现和解决问题，确保设备的安全稳定运行。

3PLC控制系统设计

3.1硬件设计

3.1.1主控制器

本文所述机械手教学设备选择西门子S7-1200系列PLC作为核心控制器。该系列PLC具备丰富的I/O接口和通信模块，支持扩展模块连接，可以灵活适应不同的硬件配置需求。

S7-1200系列PLC具有以下优势。高性能：搭载现代化处理器，执行速度快，数据处理能力强。丰富的通信接口：支持PROFINET、RS485、RS232、Ethernet等接口，实现与外围设备的高效通信。模块化设计：支持多种扩展模块，可根据实际需要灵活配置I/O接口、通信模块等[4]。

3.1.2伺服电机与驱动器

机械手和移动平台的各个轴均采用伺服电机与驱动器，以实现高精度的运动控制。选择与机械手结构相适应的伺服电机，以保证高扭矩输出及稳定的动态性能；搭配与伺服电机型号相匹配的驱动器，支持多种控制模式，包括位置、速度和扭矩控制，以确保控制精度。

3.1.3通信模块

为了实现各组件之间的通信，PLC系统配备了以下通信模块。RS485通信模块：用于PLC与伺服电机驱动器之间的通信。Ethernet通信模块：通过以太网接口与人机界面（HumanMachineInterface，HMI）通信，实现数据的交换与实时监控。

3.2软件设计

3.2.1运动轨迹规划

机械手机械设备的运动轨迹规划包括正向运动学和逆向运动学计算。在逆向运动学中，采用D-H参数法建立机械手的坐标系，确定各关节的旋转角度及顺序。具体规划过程如下。首先，为各关节和终端执行器建立坐标系，以D-H参数法描述各关节的位置与姿态关系。随后，根据机械手的结构与各关节的安装位置，计算并列出D-H参数。最后，根据终端执行器的位置与姿态，通过D-H参数法，计算各关节的旋转角度。

3.2.2PLC程序开发

PLC程序主要负责机械手与移动平台的控制与通信。程序设计模块如下。位置与姿态控制模块：根据预设的轨迹与目标点计算各关节角度，PLC发出控制指令。速度控制模块：确保伺服电机在加速和减速过程中保持平稳，防止过冲和振动，控制移动平台的运动轨迹，保证平台在移动过程中与机械手的同步。通信模块：负责PLC与伺服驱动器及HMI之间的通信，实现数据交换与状态监控。

程序模块功能体现在以下几方面。（1）初始化模块：在系统启动时，对PLC系统进行初始化，包括设定初始状态、读取初始参数等。（2）姿态与位置控制模块：根据终端执行器的目标姿态与位置，计算各个关节的旋转角度，并将控制指令传递给伺服驱动器。（3）轨迹规划与速度控制模块：根据轨迹规划结果，计算每个关节的速度和加速度，确保伺服电机平稳运行。（4）移动平台控制模块：根据预定轨迹控制移动平台的移动，确保机械手的有效操作范围。（5）人机界面通信模块：负责PLC与HMI之间的数据交换，实现实时监控与状态显示。

3.3通信方式

PLC控制系统与伺服电机驱动器、HMI及其他设备通过以下方式进行通信。

3.3.1RS485通信

用于PLC与各伺服电机驱动器之间的通信。RS485接口的主要特点是抗干扰能力强、通信距离长，适用于多台设备之间的互联。通过RS485总线，PLC可以实现对各轴伺服电机的独立控制。

3.3.2Ethernet通信

用于PLC与HMI之间的通信。Ethernet接口提供高带宽和稳定的通信方式，确保实时数据交换和状态监控。通过HMI，用户可以查看机械手与移动平台的实时状态，调整轨迹规划参数，并通过HMI直接控制设备[5]。

3.3.3I/O接口

用于连接限位开关、光电传感器等外围设备，实现硬件信号交互。限位开关可用于检测机械手的极限位置，防止越限运行。光电传感器可用于检测机械手或移动平台上的工件，作为轨迹规划的参考信号。

4．教学应用与实验案例分析

4.1教学应用

4.1.1电气控制与PLC

在“电气控制与可编程逻辑控制器”这门课程中，学生通过编写PLC程序学会如何利用PLC来控制机械手的运动。机械手的精密运动依赖于PLC的准确控制，因此，该课程中的实验使学生能够全面掌握PLC编程与控制机械手的方法，并培养学生对自动化系统的综合控制能力。通过实践，学生可以加深对PLC基本原理的理解，进而掌握编写逻辑控制程序的技巧，包括输入输出配置、定时器、计数器的使用，以及复杂顺序逻辑的实现。

4.1.2机器人技术基础

“机器人技术基础”课程重点内容部分讲授机器人结构、运动学、动力学与轨迹规划的理论知识。学生通过研究机械手机械设备的正向与逆向运动学计算方法，通过教学设备实践教学，将学习如何实现多自由度机械手的精确运动控制。通过实验，学生可以深入了解机械手的运动规律，掌握各个关节的旋转角度、位置和速度的计算方法。同时，轨迹规划实验能让学生亲自设计机械手的运动轨迹，提升他们对复杂运动控制问题的解决能力。

4.1.3自动控制原理、工业机器人现场操作与编程

机械手教学设备要求学生将机械手与PLC、HMI等多个自动化设备组合起来，实现一个完整的自动化系统控制，是一个自动化系统集成。在实验中，学生将机械手通过PLC控制，利用HMI作为监控界面，实现对整个系统的监控与操作。该实验可以帮助学生培养综合设计自动化系统的能力，同时了解各个组件之间的交互与通信，从而学会设计、优化和实现复杂的工业自动化项目，加深对于“自动控制原理”“工业机器人现场操作与编程”两门课程的学习。

4.2实验案例

实验名称：机械手物料抓取与搬运

实验目的：掌握机械手的运动学与逆向运动学计算方法；学习PLC程序编写，控制机械手完成物料抓取与搬运

实验设备：基于PLC的多自由度智能移动机械手教学设备

实验步骤包括以下几个方面。首先，规划物料抓取与搬运的轨迹，明确机械手的初始位置、终止位置及途径的关键点位置。根据各关节的自由度及其运动特性，计算出每个关键点处各关节的旋转角度和运动顺序。其次，使用梯形图编写PLC程序，实现机械手的轨迹控制。该程序应包括输入输出配置与定义、各关节的运动逻辑、轨迹控制策略（如初始位置复位、抓取动作及搬运轨迹）及定时器与计数器的应用。再次，控制机械手按照设定轨迹抓取方形物料，并将其搬运到指定位置。此过程中，需特别注意抓取动作的准确性，以及搬运过程中的平稳性和速度控制[6]。最后，根据实验要求，将机械手安装在一个移动平台上，通过调整移动平台的位置，实现机械手跨区域的物料搬运能力。通过PLC程序与轨迹规划的组合控制，学生能够充分掌握移动平台与机械手协同作业的原理。

实验结果：机械手成功实现对物料的抓取与搬运，轨迹准确，实验效果理想。通过实验，学生能够掌握多自由度机械手的运动学与逆向运动学计算方法，以及PLC编程和自动化控制系统集成的技能。

5结语

本文所述教学设备在机器人技术专业、机械设计制造及自动化专业教学中应用较广，除以上所述几门课程外，还可以用于“数控技术”“伺服电机与驱动技术”“电机与拖动技术”“机械设计基础”“机器人及零部件结构设计”“先进制造技术”等多门课程的教学，具有重大的推广和应用价值。

参考文献

[1]李利娟.基于PLC的送料机械手控制系统设计[J].中国设备工程，2023（7）：138-141.

[2]赵雷.基于Solidwork的机械臂结构优化设计[J].兰州工业学院学报，2022，29（1）：54-59.

[3]冯小广，刘磊.六自由度机械臂参数化设计[J].软件导刊，2022，21（2）：154-158.

[4]孙霖.携带机械臂的履带救援机器人设计与仿真实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.

[5]齐彬.轻型机械臂结构设计及仿人运动方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[6]吴博文.基于PLC多自由度智能移动机械手教学设备的设计制作[J].中国新通信，2023，25（7）：89-91，7.