1、基于PLC的四自由度電動機(jī)械手的控制設(shè)計 摘 要：所介紹的電動機(jī)械手由電控機(jī)械手、yz軸絲杠組、手轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底盤等機(jī)械部分組成，在PLC控制下，它可在行程范圍內(nèi)將物體從一點(diǎn)搬運(yùn)至另一任意點(diǎn)，可置放于各種不同生產(chǎn)線或物流流水線中。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；步進(jìn)電機(jī)中圖分類號：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：Design of the Control System of 4-dimension Motor-driven Mechanical Manipulator Based on PLCAbstract: Motor-driven mechanical manipulator dissc

2、ussed in this paper consists of power-operated mechanical manipulator,y-axis and z-axis screw lever modules ,rotatry mechanism of manipulator,rotated-plate at the bottom etc. On the control of PLC system,it can take bodies from one place to another in the range of its journey. It can be placed on di

3、fferent manufacture assembly lines or goods circulation lines. Key Words:mechanical manipulator; PLC; step motor隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，機(jī)械手技術(shù)也快速發(fā)展。按實(shí)現(xiàn)功能和驅(qū)動方式劃分，機(jī)械手可以分為很多種。僅就驅(qū)動方式，就有氣動（或液動）、電動和電氣混合等。為實(shí)現(xiàn)不同的功能，有3個自由度的，也有4、5個自由度的，甚至還有6個自由度的。本文中，筆者僅論述基于PLC技術(shù)的4個自由度電動機(jī)械手的控制設(shè)計，它能滿足絕大多數(shù)場合的搬運(yùn)需要，并且可用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，具有良好的

4、示范性和教學(xué)性。1 4軸聯(lián)動簡易機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動作過程如圖1所示，搬運(yùn)一個零件，一般需要4個自由度確定其位置：3個坐標(biāo)確定其空間位置；1個角度坐標(biāo)確定其擺放方位。本文中確定空間位置的3個坐標(biāo)分別是角度A、Y軸坐標(biāo)Y1和Z軸坐標(biāo)Z1；擺放方位（方位角）由零件長度方向的軸線與X軸形成的夾角B確定。通常情況下，4個自由度的機(jī)械手即可滿足大多數(shù)搬運(yùn)需求。4個自由度電動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由電磁鐵控制的機(jī)械手1、YZ軸絲杠組2、手轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)3、旋轉(zhuǎn)底盤4、物料輸送帶5、PLC 6、控制面板7、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器8和24V電源9等組成。圖1 確定物體位置的一般坐標(biāo)985764132圖2 電動機(jī)械手結(jié)構(gòu)其運(yùn)

5、動控制方式為：1)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)角度為90°的電控機(jī)械手，由微動開關(guān)確定其起始0點(diǎn)；2)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠組件，使機(jī)械手沿Y和Z軸移動，有Y、Z軸接近開關(guān)作安全限位；3)可回旋270°的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能帶動機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)，其電氣拖動部分由步進(jìn)電機(jī)、微動開關(guān)等組成；4)旋轉(zhuǎn)底盤主要支撐以上3部分；5)電控機(jī)械手的張合由電磁鐵控制，通電時機(jī)械手抓緊，斷電時機(jī)械手松開。其工作流程如下：1）當(dāng)被搬運(yùn)物體到達(dá)預(yù)定位置時，通過光電開關(guān)發(fā)出信號，機(jī)械手系統(tǒng)開始動作；3臺步進(jìn)電機(jī)分別控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、橫向運(yùn)動和上下運(yùn)動，手轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)一個方位角，然后電磁鐵通電，機(jī)械手夾住物體

6、。2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動縱軸上升，另一個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動橫軸開始向前走動；轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動使機(jī)械手整體運(yùn)動，轉(zhuǎn)到物體接收處。3）步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動縱軸下降（或上升），到達(dá)指定位置后，電磁鐵斷電，機(jī)械手松開物體。4）系統(tǒng)回位，準(zhǔn)備下一次動作。2 控制器件選型為使控制較為精確，對各種關(guān)鍵器件的類型應(yīng)有所選擇。2 1 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器控制面板負(fù)載步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速及停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個步距角。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)和交流電機(jī)一樣在

7、常規(guī)下使用，它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用1（見圖4）。選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循圖3所示的步驟2。步距角PLC 靜轉(zhuǎn)矩修正驅(qū)動器電流步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線負(fù)載電機(jī)型號 圖3 步進(jìn)電機(jī)選擇步驟 圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本文中的機(jī)械手主要用于教學(xué)，故所需精度不很高，力矩也不要太大?？v軸(Z軸)、橫軸(Y軸)和手轉(zhuǎn)動電機(jī)選用的是廣州瑞寶公司的17HD0005-18型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，電流DC 0.28 A/相，最大靜力矩160×10-3N·m。 旋轉(zhuǎn)底座選用23HD0020-25型步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，電流DC 0.

8、6 A/相，最大靜力矩330×10-3N·m。所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是RB2304ME型細(xì)分驅(qū)動器，驅(qū)動電壓為DC1240 V，采用雙極恒流斬波方式，可減少電機(jī)噪音。輸出電流從03A/相連續(xù)可調(diào)。設(shè)有12/8檔等角恒力矩細(xì)分，最大200細(xì)分。輸入信號光電隔離，標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口，有脫機(jī)保持功能，半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動半電流方式，減少電機(jī)發(fā)熱。2.2 電磁鐵系統(tǒng)中電磁鐵的作用是利用電磁吸引力操縱機(jī)械手以完成預(yù)期動作。應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求選擇電磁鐵的種類和結(jié)構(gòu)形式，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的電壓選擇電磁鐵的線圈電壓。電磁鐵的功率應(yīng)不小于制動或牽引功率。本文中的機(jī)械手

9、選用DC 24 V直流電磁鐵。2.3 PLC的選型根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，選用三菱公司生產(chǎn)的FX2C-64MT型PLC機(jī)。FX2C-64MT雖然小巧,但其內(nèi)綜合有各種性能，包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、數(shù)據(jù)處理、模擬量設(shè)定和時鐘功能等，能廣泛處理機(jī)械控制應(yīng)用問題。它完整的通信功能保證了與個人計算機(jī)、其它FX 系列PLC和FX可編程終端的通信。這些通信能力使4軸聯(lián)動簡易機(jī)械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中。為了節(jié)省成本，不另外選用PLC的專用運(yùn)動控制模塊，而是直接利用PLC的高速脈沖輸出功能（PLSY指令）。由于本系統(tǒng)選用晶體管輸出型的PLC，為避免晶體管不能可靠關(guān)斷導(dǎo)致機(jī)械手動作失靈，故用P

10、LC的一個輸出點(diǎn)控制繼電器，再由它控制電磁鐵的得失電。3、軟件編程31 輸入和輸出點(diǎn)分配表表1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表名 稱代號I/O點(diǎn)名 稱代號I/O點(diǎn)名 稱代號I/O點(diǎn)啟動手動操作連續(xù)操作旋轉(zhuǎn)左位旋轉(zhuǎn)右位上限行程下限行程左限行程右限行程轉(zhuǎn)動左位轉(zhuǎn)動右位輸入位置電源指示啟動指示連續(xù)操作指示手動操作指示抓手轉(zhuǎn)動指示SB1SB3SB4SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7SQ8SB16HD2HD3HD4HD5HD10X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X30Y16Y17Y20Y21Y26停止回原點(diǎn)工件檢測單步左旋單步右旋單步上升單步下降單步左移單步右移單步左轉(zhuǎn)單步右轉(zhuǎn)

11、電磁鐵抓工件檢測指示旋轉(zhuǎn)電機(jī)指示升降電機(jī)指示水平電機(jī)指示電磁鐵抓指示傳送帶電機(jī)SB2SB5B1SB6SB7SB8SB9SB10SB11SB12SB13SB14HD6HD7HD8HD9HD11M5X13X14X15X16X17X20X21X22X23X24X25X26Y22Y23Y24Y25Y27Y37Z軸步進(jìn)電機(jī)脈沖Z軸步進(jìn)電機(jī)方向Y軸步進(jìn)電機(jī)脈沖Y軸步進(jìn)電機(jī)方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)脈沖旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)方向轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)方向回原點(diǎn)指示燈電磁鐵M1 PM1 DM2 PM2 DM3 PM3 DM4 PM4 DHD1YV1Y0Y2Y1Y3Y4Y6Y5Y7Y10Y11有了輸入輸出點(diǎn)分配表，PLC接線

12、原理圖就很容易畫出，如圖5所示。圖5 PLC接線原理圖32 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序、手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖6所示。圖6 機(jī)械手操作系統(tǒng)程序其原理是：將把回原點(diǎn)按鈕按下，X14接通，系統(tǒng)自動回原點(diǎn)，Y10驅(qū)動指示燈亮。再將旋鈕置于手動，則X1接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ為一跳轉(zhuǎn)指令，如果CJ驅(qū)動，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動程序。之后，由于X2處于常閉位，當(dāng)執(zhí)行CJ指令時，跳轉(zhuǎn)到P1所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動位置（即X1常閉閉合、X2常閉打開），則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。33 自動連續(xù)操作流程圖如前所述，機(jī)械手操作系統(tǒng)程序有3個

13、基本程序段。因篇幅所限，這里僅給出自動連續(xù)操作流程圖。操作流程圖是PLC程序設(shè)計的基礎(chǔ)、關(guān)鍵和首要任務(wù)，只有設(shè)計出流程圖，才能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語句表，最終完成程序的設(shè)計。依據(jù)4軸聯(lián)動簡易機(jī)械手的控制要求，繪制流程圖如圖7所示。開始輸入位置參數(shù)機(jī)械手回位工件在否機(jī)械手放開機(jī)械手開始動作轉(zhuǎn)動、移動到要求位置旋轉(zhuǎn)、Y、Z軸向移動機(jī)械手抓取手到位圖7 自動連續(xù)操作流程圖程序開始時，輸入2個位置的參數(shù)：工件起始點(diǎn)的A1角、Y1、Z1坐標(biāo)和擺放方位角B1，工件要求放置點(diǎn)的A2角、Y2、Z2坐標(biāo)和擺放方位角B2。由PLC進(jìn)行計算，給出移動到位置1和2所需的4個步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)（在脈沖頻率一定時對應(yīng)相應(yīng)的時間）。利用PLC的有關(guān)輔助繼電器或PLSY指令產(chǎn)生固定頻率的脈沖，由若干定時器的定時長短控制脈沖數(shù)。方向信號可根據(jù)程序流程的次序而產(chǎn)生。在手動操作時，脈沖數(shù)由按下操作按鈕的時間而決定。4、結(jié)束語4軸聯(lián)動簡易機(jī)械手的各個動作和狀態(tài)都由PLC控制，它不僅能滿足機(jī)械手手動和自動等操作方式所需的大量按扭、開關(guān)、位置檢測點(diǎn)的要求，還可通過接口元器件與計算機(jī)組成PLC工業(yè)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)