PLC機(jī)械手控制要點(diǎn)

1、1 引言    本文以某物流控制中的機(jī)械手控制為例，分析了PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的控制方法，本系統(tǒng)涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。(1) S7-200 PLC系列是西門子公司的可編程控制器,這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制要求，由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格以及強(qiáng)大的指令，使得S7-200 PLC可以滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級(jí)使其在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問(wèn)題時(shí)，具有很強(qiáng)的是適用性。1臺(tái)S7-200 PLC包括一個(gè)單獨(dú)的S7-200 CPU，或者帶有各種各樣的可選擴(kuò)展模塊。S7-200

2、CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元(CPU)、電源以及數(shù)字量I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。l CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制任務(wù)或過(guò)程進(jìn)行控制;l 輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點(diǎn):輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則控制泵、電機(jī)、以及控也過(guò)程中的其他設(shè)備;l 電源向CPU 及其所連接的任何設(shè)備提供電力;l 通訊端口允許將S7-200 CPU同編程器或其他一些設(shè)備連起來(lái);l 狀態(tài)信號(hào)燈顯示了CPU 的工作模式(運(yùn)行或停止)，本機(jī)I/O的當(dāng)前狀態(tài)，以及檢查出來(lái)的系統(tǒng)錯(cuò)誤;l 通過(guò)擴(kuò)展模塊可提供其通訊性能;l 通過(guò)擴(kuò)展模塊可增加CPU的I/O點(diǎn)數(shù)(CPU 221不擴(kuò)展

3、);l 一些CPU有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或添加實(shí)時(shí)時(shí)鐘卡;l EEPROM卡可以存儲(chǔ)CPU程序，也可以將一個(gè)CPU中的程序送到另一個(gè)CPU中;l 通過(guò)可選的插入式電池盒可延長(zhǎng)RAM中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間;l 最大I/O配置。(    2) SH-2H057驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)共有三路，他們是:步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平信號(hào)DIR、脫機(jī)電平信號(hào)FREE.他們?cè)隍?qū)動(dòng)器內(nèi)部分別通過(guò)270的限流電阻接入光耦的負(fù)輸入端，且電路形式完全相同，三路光耦的正輸入端為OPTO端，三路輸入信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部接成共陽(yáng)方式，所以O(shè)PTO端需接外部系統(tǒng)的VCC端，如果VCC是+5伏，可直接接入;否則需在外部

4、另加限流電阻，保證給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光耦提供8-15mA的驅(qū)動(dòng)電流。l 步進(jìn)脈沖信號(hào)CP    步進(jìn)脈沖信號(hào)CP用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度，也就是說(shuō):驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)CP脈沖就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步角度，CP脈沖的頻率改變則同時(shí)是步進(jìn)電機(jī)的速率改變，控制CP脈沖的個(gè)數(shù)，則可以使步進(jìn)電機(jī)精確定位。這樣就可以很方便的達(dá)到步進(jìn)電機(jī)調(diào)速和定位的目的。本驅(qū)動(dòng)器的CP信號(hào)為低電平有效，要求CP信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流為8-15mA，對(duì)CP脈沖寬度也有一定要求，一般不小于5s。l 方向電平信號(hào)DIR    方向電平信號(hào)DIR用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。此端為高電

5、平時(shí)，電機(jī)為一個(gè)轉(zhuǎn)向;次端為低電平時(shí)，電機(jī)為另一個(gè)轉(zhuǎn)向。電機(jī)換向必須在電機(jī)停止后再進(jìn)行，并且換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)CP脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)CP脈沖前發(fā)出。l 脫機(jī)電平信號(hào)FREE當(dāng)驅(qū)動(dòng)器上電后，步進(jìn)電機(jī)處于鎖定狀態(tài)(未施加CP脈沖時(shí))或運(yùn)行狀態(tài)(施加CP脈沖)，但用戶想手動(dòng)調(diào)整電機(jī)而又不想關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器電源，這時(shí)可以用到此信號(hào)，此信號(hào)低電平有效，電機(jī)處于自由無(wú)力矩狀態(tài);當(dāng)此信號(hào)為高電平或懸空不接時(shí)，取消脫機(jī)狀態(tài)。l 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 SH-2H057型驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)(亦稱感應(yīng)子式)，此驅(qū)動(dòng)器一般驅(qū)動(dòng)60號(hào)機(jī)座以下電機(jī)。電機(jī)的出線方式不同，與驅(qū)動(dòng)器的連接

6、也不同。本系統(tǒng)使用的電機(jī)為二相四根線電機(jī)，可以直接和驅(qū)動(dòng)器相連。見圖1的機(jī)械手電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖。2系統(tǒng)工作工程    本系統(tǒng)的機(jī)械手部分由底盤、立桿、手臂、手組成，其中底盤由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);立桿由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可上下移動(dòng);手臂由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可前后伸縮;手由氣泵控制，可抓緊和放松。在相應(yīng)位置都有位置檢測(cè)信號(hào)用于定位。參見圖1。(1) 出貨過(guò)程    從復(fù)位位置啟動(dòng),根據(jù)要求到相應(yīng)出貨臺(tái)(1，2，3號(hào)貨臺(tái)),此時(shí)底盤轉(zhuǎn)動(dòng)到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓貨物,立柱上升,同時(shí)手臂回收(以免運(yùn)行中與其它設(shè)

7、備相撞),然后到相應(yīng)出貨臺(tái)(左,或右出貨臺(tái)),立柱下降,手臂伸出,手打開,把貨物放在相應(yīng)出貨臺(tái)上。(2) 進(jìn)貨過(guò)程    從復(fù)位位置啟動(dòng),根據(jù)要求到相應(yīng)出貨臺(tái)(左，或右出貨臺(tái)),此時(shí)底盤轉(zhuǎn)動(dòng)到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓貨物,立柱上升,同時(shí)手臂回收(以免運(yùn)行中與其它設(shè)備相撞),然后到相應(yīng)出貨臺(tái)(1，2，3號(hào)貨臺(tái)),立柱下降,手臂伸出,手打開,把貨物放在相應(yīng)出貨臺(tái)上。 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想    步進(jìn)控制電路設(shè)計(jì)思想，PLC繼電器式輸出模塊工作速度較低，故采用高頻脈沖方波發(fā)生器，給出步進(jìn)脈沖，其振蕩頻率按步進(jìn)電機(jī)速度設(shè)置，步進(jìn)量

8、的控制采用位置檢測(cè)，根據(jù)位置檢測(cè)信號(hào)用PLC的輸出點(diǎn)切斷進(jìn)給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的停車, 其程序流程圖如圖2所示。    在整個(gè)機(jī)械手運(yùn)行控制過(guò)程中，采用限位開關(guān)以及面板操作開關(guān)以及系統(tǒng)邏輯開關(guān)作為輸入點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)中底盤有5個(gè)限位開關(guān)，分別作為5個(gè)位置的定位輸入點(diǎn)，立柱有4個(gè)限位開關(guān)，分別為1個(gè)復(fù)位開關(guān)、一號(hào)位限位輸入量、上限位、下限位。手臂有3個(gè)限位開關(guān):手臂復(fù)位限位數(shù)入點(diǎn)、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位開關(guān)，為抓手復(fù)位輸入點(diǎn)。一共13個(gè)限位開關(guān)完成全部的控制輸入。各限位開關(guān)分布情況見圖1，    由于在整個(gè)控制過(guò)程中全部是通過(guò)控制

9、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。這里對(duì)用集成脈沖輸出觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理進(jìn)行說(shuō)明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分別對(duì)升/降步進(jìn)電機(jī)、前/后步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖;CPU 226的Q0.2對(duì)轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖。而步進(jìn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)則分別是CPU 226的Q0.4和Q0.5分別對(duì)升/降步進(jìn)電機(jī)、前/后步進(jìn)電機(jī)實(shí)行控制;CPU 226 的Q0.6和Q0.7分別對(duì)轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)正反、抓手氣泵開關(guān)實(shí)行控制。    機(jī)械手PLC程序的設(shè)計(jì)編寫采用了STEP 7-Micro/WIN32軟件的數(shù)據(jù)表(STL)的形式。程序設(shè)計(jì)修改方便，設(shè)計(jì)完成可聯(lián)機(jī)調(diào)

10、試，沒(méi)有問(wèn)題再把步進(jìn)電機(jī)接上。    上位機(jī)監(jiān)控軟件采用北京亞控的組態(tài)王軟件，通過(guò)變量映射實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件的變量與PLC的寄存器的動(dòng)態(tài)連接，從而實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)PLC的監(jiān)控。4 結(jié)束語(yǔ)    本機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作可靠，使用方便，已較好地應(yīng)用于我校的科研教學(xué)中.隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計(jì)算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī)械手技術(shù)快速發(fā)展，其中氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來(lái)源簡(jiǎn)便以及不污染環(huán)境、組件價(jià)格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點(diǎn)，已滲透到工業(yè)領(lǐng)

11、域的各個(gè)部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動(dòng)機(jī)械手有氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運(yùn)工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。一、四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程機(jī)械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示，有氣控機(jī)械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)(3)、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成。  其運(yùn)動(dòng)控制方式為：(1)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)角度為360°的氣控機(jī)械手(有光電傳感器確定起始0點(diǎn))；(2)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠組件使機(jī)械手沿X、Y軸移動(dòng)(有x、y軸限位開關(guān))；(3)可回旋360°的

12、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)能帶動(dòng)機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動(dòng)部分由直流電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、接近開關(guān)等組成)；(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分；(5)氣控機(jī)械手的張合由氣壓控制(充氣時(shí)機(jī)械手抓緊，放氣時(shí)機(jī)械手松開)。其工作過(guò)程為：當(dāng)貨物到達(dá)時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)開始動(dòng)作；步進(jìn)電機(jī)控制開始向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)另一路步進(jìn)電機(jī)控制橫軸開始向前運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到達(dá)正好抓取貨物的方位處，然后充氣，機(jī)械手夾住貨物。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱軸上升，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫軸開始向前走；轉(zhuǎn)盤直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到貨物接收處；步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)縱軸下降，到達(dá)指定位置后，氣閥放氣，機(jī)械手松開貨物；系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。二、控制器件

13、選型為達(dá)到精確控制的目的，根據(jù)市場(chǎng)情況，對(duì)各種關(guān)鍵器件選型如下：1.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器機(jī)械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是北京四通電機(jī)技術(shù)有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.9°/1.8°，電流1.5A。M1是橫軸電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)伸、縮；M2是縱軸電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)上升、下降。所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是SH-20403型，該驅(qū)動(dòng)器采用1040V直流供電，H橋雙極恒相電流驅(qū)動(dòng)，最大3A的8種輸出電流可選，最大64細(xì)分的7種細(xì)分模式可選，輸入信號(hào)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(dòng)半電流方

14、式。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，保證了驅(qū)動(dòng)器可適應(yīng)較寬的電壓范圍，用戶可根據(jù)各自情況在1040VDC之間選擇。一般來(lái)說(shuō)較高的額定電源電壓有利于提高電機(jī)的高速力矩，但卻會(huì)加大驅(qū)動(dòng)器的損耗和溫升。本驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流值為3A/相(峰值)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開關(guān)的第5、6、7三位可組合出8種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)8種輸出電流，從0.9A到3A以配合不同的電機(jī)使用。本驅(qū)動(dòng)器可提供整步、改善半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分和64細(xì)分7種運(yùn)行模式，利用驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開關(guān)的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài)。2.伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作采用松下伺服電機(jī)A系列小慣量MSMA5AZA1G，其額定

15、輸出50W、100/200V共用，旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格為增量式(脈沖數(shù)2500p/r、分辨率10000p/r、引出線11線)；有油封，無(wú)制動(dòng)器，軸采用鍵槽連接。該電機(jī)采用松下公司獨(dú)特算法，使速度頻率響應(yīng)提高2倍，達(dá)到500Hz；定位超調(diào)整定時(shí)間縮短為以往松下伺服電機(jī)產(chǎn)品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全閉環(huán)控制功能，可彌補(bǔ)機(jī)械的剛性不足，從而實(shí)現(xiàn)高速定位，也可通過(guò)外接高精度的光柵尺，構(gòu)成全閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。具有常規(guī)自動(dòng)增益調(diào)整和實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)整兩種自動(dòng)增益調(diào)整方式，還配有RS-485、RS-232C通信口，使上位控制器可同時(shí)控制多達(dá)16個(gè)軸。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為A系列MSDA5A

16、3A1A，適用于小慣量電動(dòng)機(jī)。3.直流電機(jī)可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)有直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)，系統(tǒng)選用的是北京和時(shí)利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無(wú)刷直流電機(jī)，其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用北京和時(shí)利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動(dòng)器，其采用2448V直流供電，有起停及轉(zhuǎn)向控制、過(guò)流、過(guò)壓及堵轉(zhuǎn)保護(hù)，且有故障報(bào)警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動(dòng)快速停機(jī)等特點(diǎn)。4.旋轉(zhuǎn)編碼器在可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上，安裝有OMRON公司生產(chǎn)的E6A2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將信號(hào)傳給PLC，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)的精確定位。5. PLC的選型根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A小型機(jī)。CPM2A在一個(gè)小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能，包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設(shè)定和時(shí)鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個(gè)獨(dú)立單元，能處理廣泛的機(jī)械控制應(yīng)用問(wèn)題，所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品。完整的通信功能保證了與個(gè)人計(jì)算機(jī)、其它OMRON PC和OMRON可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中。三、軟件編程1.軟件流程圖流程圖是PLC程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。只有設(shè)