PLC机械手基本控制设计

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1、1.0 引言本文以某物流控制中的机械手控制为例，分析了PLC 与步进驱动装置的控制方法，本系统涉及的主要硬件是S7-200PLC 和 SH-2H057步进驱动器。(1) S7-200PLC 系列 是西门子公司的可编程控制器, 这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200PLC 可以满足小规模的控制要求。此外，丰富的 CPU 类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。1 台 S7-200PLC 包括一个单独的S7-200CPU ，或者带有各种各样的可选扩展模块。 S7-200CPU 模块包括一

2、个中央处理单元(CPU) 、电源以及数字量I/O 点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。l CPU 负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制;l 输入和输出是系统的控制点:输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备;l 电源向 CPU及其所连接的任何设备提供电力;l 通讯端口允许将S7-200CPU 同编程器或其他一些设备连起来;l 状态信号灯显示了CPU的工作模式 (运行或停止 )，本机 I/O 的当前状态，以及检查出来的系统错误 ;l 通过扩展模块可提供其通讯性能;l 通过扩展模块可增加 CPU 的 I/O 点数 (CPU 22

3、1不扩展 );l 一些 CPU 有内置的实时时钟，或添加实时时钟卡;l EEPROM 卡可以存储 CPU 程序，也可以将一个CPU 中的程序送到另一个CPU 中;l 通过可选的插入式电池盒可延长RAM 中的数据存储时间;l 最大 I/O 配置。(2) SH-2H057驱动器输入信号共有三路，他们是:步进脉冲信号CP 、方向电平信号DIR、脱机电平信号FREE. 他们在驱动器内部分别通过270 的限流电阻接入光耦的负输入端，且电路形式完全相同，三路光耦的正输入端为OPTO 端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO 端需接外部系统的VCC 端，如果VCC 是 +5 伏，可直接接入;否

4、则需在外部另加限流电阻，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA 的驱动电流。l 步进脉冲信号CP步进脉冲信号CP 用于控制步进电机的位置和速度，也就是说:驱动器每接受一个CP 脉冲就驱动步进电机旋转一个步角度，CP 脉冲的频率改变则同时是步进电机的速率改变，控制 CP 脉冲的个数， 则可以使步进电机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本驱动器的CP 信号为低电平有效，要求CP 信号的驱动电流为8-15mA ，对CP 脉冲宽度也有一定要求，一般不小于5s。l 方向电平信号DIR方向电平信号DIR 用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机为一个转向; 次端为低电平时，电

5、机为另一个转向。电机换向必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP 脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP 脉冲前发出。l 脱机电平信号FREE当驱动器上电后， 步进电机处于锁定状态(未施加 CP 脉冲时 )或运行状态 (施加 CP 脉冲) ，但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这时可以用到此信号，此信号低电平有效，电机处于自由无力矩状态;当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。l 步进电机简介SH-2H057型驱动器用于驱动二相或四相混合式步进电机(亦称感应子式)，此驱动器一般驱动60 号机座以下电机。电机的出线方式不同，与驱动器的连接也不同。本系统使用的

6、电机为二相四根线电机，可以直接和驱动器相连。见图1 的机械手电机驱动模块原理图。2 .0 系统工作工程本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成，其中底盘由一个步进电机驱动，可顺逆时针旋转;立杆由一个步进电机驱动，可上下移动;手臂由一个步进电机驱动，可前后伸缩 ;手由气泵控制，可抓紧和放松。在相应位置都有位置检测信号用于定位。参见图1 。(1) 出货过程从复位位置启动,根据要求到相应出货台(1， 2 ， 3 号货台 ), 此时底盘转动到要求位置，立柱下降 ,手臂伸出 ,定位后手抓货物,立柱上升 ,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(左 ,或右出货台 ),立柱下降 ,手

7、臂伸出 ,手打开 ,把货物放在相应出货台上。(2) 进货过程从复位位置启动,根据要求到相应出货台(左，或右出货台), 此时底盘转动到要求位置，立柱下降 ,手臂伸出 ,定位后手抓货物,立柱上升 ,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(1 ，2， 3 号货台 ), 立柱下降 ,手臂伸出 ,手打开 ,把货物放在相应出货台上。3.0 系统设计思想步进控制电路设计思想，PLC 继电器式输出模块工作速度较低，故采用高频脉冲方波发生器，给出步进脉冲，其振荡频率按步进电机速度设置，步进量的控制采用位置检测，根据位置检测信号用PLC 的输出点切断进给电机，实现步进电机的停车, 其程序流程图

8、如图2所示。在整个机械手运行控制过程中，采用限位开关以及面板操作开关以及系统逻辑开关作为输入点，整个系统中底盘有5 个限位开关，分别作为5 个位置的定位输入点，立柱有4个限位开关，分别为1 个复位开关、一号位限位输入量、上限位、下限位。手臂有3 个限位开关 :手臂复位限位数入点、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位开关，为抓手复位输入点。一共13 个限位开关完成全部的控制输入。各限位开关分布情况见图1，由于在整个控制过程中全部是通过控制步进电机驱动模块再驱动步进电机执行。这里对用集成脉冲输出触发步进电机驱动器原理进行说明。S7-200PLC(CPU226) 的 Q0.0 和Q0.1 分别对升 /降

9、步进电机、前/后步进电机发送脉冲;CPU226 的 Q0.2 对转盘步进电机发送脉冲。而步进电机的正/反转则分别是CPU226 的 Q0.4 和 Q0.5 分别对升 /降步进电机、前/ 后步进电机实行控制 ;CPU 226 的 Q0.6 和 Q0.7 分别对转盘步进电机正反、抓手气泵开关实行控制。机械手 PLC 程序的设计编写采用了 STEP 7-Micro/WIN32 软件的数据表 (STL) 的形式。程序设计修改方便，设计完成可联机调试，没有问题再把步进电机接上。上位机监控软件采用北京亚控的组态王软件，通过变量映射实现组态软件的变量与PLC 的寄存器的动态连接，从而实现了上位机对PLC 的

10、监控。4.0 结束语本机械手控制系统结构紧凑，动作可靠，使用方便，已较好地应用于我校的科研教学中.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

11、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。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

12、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，

13、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

14、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

15、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

16、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，

17、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OMRONPC 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。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 。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。