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基于PLC的四自由度电动机械手的控制设计

摘 要：所介绍的电动机械手由电控机械手、yz轴丝杠组、手转动机构、旋转底盘等机械部分组成，在PLC控制下，它可在行程范围内将物体从一点搬运至另一任意点，可置放于各种不同生产线或物流流水线中。
关键词：机械手；PLC；步进电机
中图分类号：TP241 文献标志码：A 文章编号：

Design of the Control System of 4-dimension Motor-driven Mechanical Manipulator Based on PLC
Abstract: Motor-driven mechanical manipulator disscussed 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 different manufacture assembly lines or goods circulation lines.
Key Words:mechanical manipulator; PLC; step motor

随着微电子技术、计算机和现代控制理论的不断完善，机械手技术也快速发展。按实现功能和驱动方式划分，机械手可以分为很多种。仅就驱动方式，就有气动（或液动）、电动和电气混合等。为实现不同的功能，有3个自由度的，也有4、5个自由度的，甚至还有6个自由度的。本文中，笔者仅论述基于PLC技术的4个自由度电动机械手的控制设计，它能满足绝大多数场合的搬运需要，并且可用于教学实验，具有良好的示范性和教学性。
1 4轴联动简易机械手的结构及动作过程
如图1所示，搬运一个零件，一般需要4个自由度确定其位置：3个坐标确定其空间位置；1个角度坐标确定其摆放方位。本文中确定空间位置的3个坐标分别是角度A、Y轴坐标Y1和Z轴坐标Z1；摆放方位（方位角）由零件长度方向的轴线与X轴形成的夹角B确定。通常情况下，4个自由度的机械手即可满足大多数搬运需求。
4个自由度电动机械手的结构如图2所示。它由电磁铁控制的机械手1、YZ轴丝杠组2、手转动机构3、旋转底盘4、物料输送带5、PLC 6、控制面板7、步进电机驱动器8和24V电源9等组成。

图1 确定物体位置的一般坐标
9
8
5
7
6
4
1
3
2

图2 电动机械手结构
其运动控制方式为：1)由步进电机驱动可旋转角度为90°的电控机械手，由微动开关确定其起始0点；2)由步进电机驱动丝杠组件，使机械手沿Y和Z轴移动，有Y、Z轴接近开关作安全限位；3)可回旋270°的旋转机构能带动机械手及丝杠组自由旋转，其电气拖动部分由步进电机、微动开关等组成；4)旋转底盘主要支撑以上3部分；5)电控机械手的张合由电磁铁控制，通电时机械手抓紧，断电时机械手松开。
　　其工作流程如下：1）当被搬运物体到达预定位置时，通过光电开关发出信号，机械手系统开始动作；3台步进电机分别控制旋转运动、横向运动和上下运动，手转动机构驱动机械手旋转一个方位角，然后电磁铁通电，机械手夹住物体。2）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动；转盘步进电机转动使机械手整体运动，转到物体接收处。3）步进电机再次驱动纵轴下降（或上升），到达指定位置后，电磁铁断电，机械手松开物体。4）系统回位，准备下一次动作。
2 控制器件选型
为使控制较为精确，对各种关键器件的类型应有所选择。
2． 1 步进电机及其驱动器
控制面板
负载
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的转速及停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。即给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。虽然步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能像普通的直流电机和交流电机一样在常规下使用，它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用[1]（见图4）。选择电机一般应遵循图3所示的步骤[2]。
步距角

PLC

静转矩
修正
驱动器

电流
步进电机
矩频特性曲线

负载
电机型号

图3 步进电机选择步骤 图4 控制系统结构框图
本文中的机械手主要用于教学，故所需精度不很高，力矩也不要太大。纵轴(Z轴)、横轴(Y轴)和手转动电机选用的是广州瑞宝公司的17HD0005-18型两相混合式步进电机，步距角为1.8°，电流DC 0.28 A/相，最大静力矩≥160×10-3N·m。 旋转底座选用23HD0020-25型步进电机，步距角为1.8°，电流DC 0.6 A/相，最大静力矩≥330×10-3N·m。所选用的步进电机驱动器是RB2304ME型细分驱动器，驱动电压为DC12～40 V，采用双极恒流斩波方式，可减少电机噪音。输出电流从0～3A/相连续可调。设有12/8档等角恒力矩细分，最大200细分。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，减少电机发热。
2.2 电磁铁
　　系统中电磁铁的作用是利用电磁吸引力操纵机械手以完成预期动作。应根据负载的要求选择电磁铁的种类和结构形式，然后根据控制系统的电压选择电磁铁的线圈电压。电磁铁的功率应不小于制动或牵引功率。本文中的机械手选用DC 24 V直流电磁铁。
2.3 PLC的选型
根据系统的设计要求，选用三菱公司生产的FX2C-64MT型PLC机。FX2C-64MT虽然小巧,但其内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、数据处理、模拟量设定和时钟功能等，能广泛处理机械控制应用问题。它完整的通信功能保证了与个人计算机、其它FX 系列PLC和FX可编程终端的通信。这些通信能力使4轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
为了节省成本，不另外选用PLC的专用运动控制模块，而是直接利用PLC的高速脉冲输出功能（PLSY指令）。由于本系统选用晶体管输出型的PLC，为避免晶体管不能可靠关断导致机械手动作失灵，故用PLC的一个输出点控制继电器，再由它控制电磁铁的得失电。
3、软件编程
3．1 输入和输出点分配表
表1 机械手传送系统输入和输出点分配表
名 称
代号
I/O点
名 称
代号
I/O点
名 称
代号
I/O点
启动
手动操作
连续操作
旋转左位
旋转右位
上限行程
下限行程
左限行程
右限行程
转动左位
转动右位
输入位置
电源指示
启动指示
连续操作指示
手动操作指示
抓手转动指示
SB1
SB3
SB4
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
SQ5
SQ6
SQ7
SQ8
SB16
HD2
HD3
HD4
HD5
HD10
X0
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X10
X11
X12
X30
Y16
Y17
Y20
Y21
Y26
停止
回原点
工件检测
单步左旋
单步右旋
单步上升
单步下降
单步左移
单步右移
单步左转
单步右转
电磁铁抓
工件检测指示
旋转电机指示
升降电机指示
水平电机指示
电磁铁抓指示
传送带电机
SB2
SB5
B1
SB6
SB7
SB8
SB9
SB10
SB11
SB12
SB13
SB14
HD6
HD7
HD8
HD9
HD11
M5
X13
X14
X15
X16
X17
X20
X21
X22
X23
X24
X25
X26
Y22
Y23
Y24
Y25
Y27
Y37
Z轴步进电机脉冲
Z轴步进电机方向
Y轴步进电机脉冲
Y轴步进电机方向
旋转步进电机脉冲
旋转步进电机方向
转动步进电机脉冲
转动步进电机方向
回原点指示灯
电磁铁
M1 P

M1 D

M2 P

M2 D

M3 P

M3 D

M4 P

M4 D

HD1
YV1
Y0

Y2

Y1

Y3

Y4

Y6

Y5

Y7

Y10
Y11
有了输入输出点分配表，PLC接线原理图就很容易画出，如图5所示。

图5 PLC接线原理图
3．2 操作系统
操作系统包括回原点程序、手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图6所示。

图6 机械手操作系统程序
其原理是：将把回原点按钮按下，X14接通，系统自动回原点，Y10驱动指示灯亮。再将旋钮置于手动，则X1接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X2处于常闭位，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置（即X1常闭闭合、X2常闭打开），则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。
3．3 自动连续操作流程图
如前所述，机械手操作系统程序有3个基本程序段。因篇幅所限，这里仅给出自动连续操作流程图。操作流程图是PLC程序设计的基础、关键和首要任务，只有设计出流程图，才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。依据4轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图7所示。
开始

输入位置参数

机械手回位

工件在否

机械手放开

机械手开始动作

转动、移动到要求位置

旋转、Y、Z轴向移动

机械手抓取

手到位

图7 自动连续操作流程图
程序开始时，输入2个位置的参数：工件起始点的A1角、Y1、Z1坐标和摆放方位角B1，工件要求放置点的A2角、Y2、Z2坐标和摆放方位角B2。由PLC进行计算，给出移动到位置1和2所需的4个步进电机的脉冲数（在脉冲频率一定时对应相应的时间）。利用PLC的有关辅助继电器或PLSY指令产生固定频率的脉冲，由若干定时器的定时长短控制脉冲数。方向信号可根据程序流程的次序而产生。在手动操作时，脉冲数由按下操作按钮的时间而决定。
4、结束语
4轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，它不仅能满足机械手手动和自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，还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。由于使用的是步进电机驱动机械手，其速度和位置控制变得容易和准确。在教学而言，借助机械手，可以训练学生学会多种编程方法（如既可以凭经验用梯形图编程，也可用步进顺控指令实现同样的目的），掌握多个功能指令的运用，实现复杂的功能。

参考文献：
[1] 江华生 李鸣 高素萍等 .基于PLC的步进电机控制技术[J].自动化技术与应用,2006.第25卷第10期，55
[2] 王晓明．电动机的单片机控制[ M ]．北京: 北京航空航天出版社，2002