基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、 基于plc的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 【摘要】自動(dòng)化機(jī)械手作為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中的重要組成部分，其自動(dòng)化水平的高低直接關(guān)系著企業(yè)的生產(chǎn)效率，必須引起高度重視。本文介紹了機(jī)械手的基本組成，完成了plc硬件和軟件的設(shè)計(jì)。應(yīng)用結(jié)果表明，基于plc的機(jī)械手控制系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，具有很好的應(yīng)用前景。【關(guān)鍵詞】機(jī)械手；plc；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)引言近些年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平越來(lái)越高，國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)不斷強(qiáng)大，科學(xué)技術(shù)逐漸創(chuàng)新，工業(yè)自動(dòng)化程度隨之提高1。機(jī)械手自上世紀(jì)五十年代末出現(xiàn)，1972年中國(guó)研發(fā)的機(jī)械手誕生，引領(lǐng)全國(guó)科研人員進(jìn)行機(jī)械手的研發(fā)和應(yīng)用。至今為止，機(jī)械手仍在不斷更新和提高2。plc作為一種可

2、編程邏輯控制器，具有強(qiáng)大的邏輯控制能力，plc控制下的機(jī)械手已在各行各業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，獲得了各界人士的認(rèn)可3。因此本文結(jié)合筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工作需要，擬開展基于plc的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。1機(jī)械手的組成機(jī)械手技術(shù)涉及學(xué)科比較廣，包括機(jī)械、力學(xué)、自動(dòng)控制等學(xué)科，還有計(jì)算機(jī)技術(shù)、電氣技術(shù)的應(yīng)用。主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)等部件組成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定位控制。1.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)、機(jī)械式四種形式。氣動(dòng)，以壓縮空氣實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)要求，反應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝性較好，成本低，使用壽命長(zhǎng)，易于維護(hù)和調(diào)節(jié)；液動(dòng)，以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，慣性小、沖擊小、工作平穩(wěn)，易控制易調(diào)

3、節(jié)，操作方便，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制；機(jī)械驅(qū)動(dòng)，是將主機(jī)的動(dòng)力通過(guò)凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式，采用點(diǎn)位控制或者機(jī)械式的擋塊定位控制，動(dòng)作簡(jiǎn)單；電控，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為電機(jī)，通過(guò)plc，實(shí)現(xiàn)多方位自動(dòng)控制，控制方式多變化，操作定位更精確，用途和通用性更廣，是目前常用的驅(qū)動(dòng)方式。1.2控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)作順序、動(dòng)作位置、動(dòng)作啟停以及信號(hào)采集的主要部件。對(duì)于氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)機(jī)構(gòu)，由控制機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作速度和加減速的控制?，F(xiàn)在一般采用可編程的運(yùn)動(dòng)控制器控制，伺服電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作要求，主要控制電機(jī)動(dòng)作順序以及坐標(biāo)位置。1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求：響應(yīng)速度快、動(dòng)作靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好、動(dòng)

4、靜態(tài)精度高、效率可靠性高。執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是控制機(jī)構(gòu)采集控制信號(hào)，當(dāng)信號(hào)產(chǎn)生變化時(shí)，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)的動(dòng)作變化，被稱為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制的手足。1.4位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)裝置，是機(jī)械手的重要組成部分，由檢測(cè)元件和信號(hào)處理裝置組成。在閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移、角度、速度等信號(hào)，變換成控制單元所需要的控制形式，將運(yùn)動(dòng)部件位置實(shí)時(shí)反饋給控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手位置、扭矩閉環(huán)控制。整個(gè)機(jī)械手的控制精度，在很大程度上，由位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)的精度決定。2機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)plc硬件設(shè)計(jì)針對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用情況，不同的信號(hào)采集，plc配備了各種接口，方便配置相應(yīng)的i/o模塊，包括開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬

5、量信號(hào)采集、模擬量信號(hào)輸出模塊、通信接口模塊等。plc在機(jī)械手控制過(guò)程中的基本作用是接收上位機(jī)或外界按鈕傳來(lái)的控制信號(hào)，將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的控制動(dòng)作。本次選用了臺(tái)達(dá)dvp系列運(yùn)動(dòng)控制器，dvp-50mc是基于ethercat 總線的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，總線傳輸速率達(dá)到100mbps，采用分布式時(shí)鐘，可以快速、準(zhǔn)確、高效的傳輸數(shù)據(jù)。編程器canopen builder編寫程序時(shí)，使用梯形圖，編程快捷簡(jiǎn)單。強(qiáng)大的庫(kù)文件，單軸的位置、速度、扭矩、等運(yùn)動(dòng)指令庫(kù)直接調(diào)取使用，多軸控制指令也能夠滿足各種使用方式。強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，可組建功能復(fù)雜的控制系統(tǒng)。種類眾多的io 擴(kuò)展，使用簡(jiǎn)單、功能完整，方便應(yīng)用。考慮

6、機(jī)械手的工作環(huán)境，上位機(jī)選用研華工控機(jī)，研華工控機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕，抗灰塵，抗振動(dòng)，抗輻射，帶橡膠墊固定壓條的獨(dú)特設(shè)計(jì)可有效防止卡在受到?jīng)_擊震動(dòng)時(shí)造成損壞，能夠在惡劣的環(huán)境下持久穩(wěn)定運(yùn)行。3機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)3.1 plc軟件設(shè)計(jì)編程之前，第一要硬件組態(tài)，設(shè)定plc主機(jī)的相關(guān)參數(shù)，以及對(duì)所搭建的模組進(jìn)行組態(tài)配置與參數(shù)設(shè)定。第二網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)部署、com通訊資料交換、ethernet通訊資料交換等網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，配置通訊參數(shù)地址。第三建立程式，按機(jī)械手動(dòng)作要求編寫控制邏輯，于canopen builder編輯器上編寫程序，并在編寫完成后進(jìn)行編譯工作。最后進(jìn)行程序的測(cè)試與除錯(cuò)，無(wú)報(bào)錯(cuò)后

7、，將編譯完成的程序包括硬件與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)參數(shù)下載至plc運(yùn)行，并可以進(jìn)行線上監(jiān)控以及參數(shù)在線更改。3.1.1 伺服電機(jī)配置與控制plc通過(guò)ethercat總線控制多軸伺服運(yùn)動(dòng)。ethercat 總線是基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，目前使用比較多的協(xié)議有兩種：coe（canopen over ethercat）和soe(sercos over ethercat）,dvp-50mc 系列運(yùn)動(dòng)控制器采用coe 協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)配置完成后，需配置各個(gè)軸參數(shù)，包括軸名稱、軸站號(hào)、軸類型（線性軸/旋轉(zhuǎn)軸）和單元（導(dǎo)程單位）、通訊參數(shù)（速度、位置、扭矩、溫度等參數(shù)）、電子齒輪比、原點(diǎn)回歸模式等參數(shù)。其中電子齒輪比需要根據(jù)機(jī)械

8、結(jié)構(gòu)傳動(dòng)比，設(shè)定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要多少個(gè)脈沖信號(hào)。3.1.2與上位機(jī)通訊dvp-50mc控制器通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)通訊，選用modbus通訊方式。報(bào)文結(jié)構(gòu)ascii,通訊數(shù)據(jù)包括：起始字符、通訊站號(hào)、功能碼、數(shù)據(jù)、lrc校驗(yàn)碼、結(jié)束字符。在canopen builder編輯器上需配置通訊數(shù)據(jù)，例如配置一個(gè)字符的裝配地址為%iw0，對(duì)應(yīng)modbus地址0x8000，表示該字符為讀??；配置一個(gè)字符的裝配地址為%qw0，對(duì)應(yīng)modbus地址為0xa000，表示該字符為寫入。3.2 labview軟件設(shè)計(jì)labview的功能可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、分析和連接， pid計(jì)算、模糊控制原理、信號(hào)分析、控制模塊與仿

9、真模塊，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的仿真與動(dòng)作實(shí)現(xiàn)；modbus數(shù)據(jù)通訊模塊，與plc實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)記錄模塊， microsoft office報(bào)表生成工具包，數(shù)據(jù)庫(kù)連接配置模塊，可以快速記錄、管理工作過(guò)程中的數(shù)據(jù)，按要求生成記錄報(bào)表。4應(yīng)用效果評(píng)價(jià)為了驗(yàn)證機(jī)械手的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于企業(yè)高溫件加工生產(chǎn)線中進(jìn)行了為期半年的試用。相較于以前人工操作，機(jī)械手成功代替了人工，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)。統(tǒng)計(jì)得到該生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率提升近20%，單件生產(chǎn)成本降低6%，預(yù)計(jì)會(huì)為企業(yè)創(chuàng)造30萬(wàn)/年的經(jīng)濟(jì)效益，取得了很好的應(yīng)用效果。5結(jié)束語(yǔ)工業(yè)水平的不斷提高，對(duì)機(jī)械手需求增多，逐步擴(kuò)大了對(duì)機(jī)械手的使用，機(jī)械手自動(dòng)化控制技術(shù)將是未來(lái)機(jī)械發(fā)展的主要趨勢(shì)。根據(jù)生產(chǎn)線機(jī)械手功能提出的技術(shù)要求，完成了plc控制系統(tǒng)的硬件、軟件、上位機(jī)等設(shè)計(jì)。機(jī)械手應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，取得了很好的應(yīng)用效果。參考文獻(xiàn)：1文方, 房弛, 陳芳.