PLC機械手基本控制設計

1、1 .0引言 本文以某物流控制中的機械手控制為例，分析了PLC與步進驅動裝置的控制方法，本系統(tǒng)涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步進驅動器。(1) S7-200 PLC系列是西門子公司的可編程控制器,這一系列產品可以滿足多種多樣的自動化控制要求，由于具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，使得S7-200 PLC可以滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的是適用性。1臺S7-200 PLC包括一個單獨的S7-200 CPU，或者帶有各種各樣的可選擴展模塊。S7-200 CPU模塊包括一個中央處理單元(

2、CPU)、電源以及數(shù)字量I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。l CPU負責執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)自動化控制任務或過程進行控制;l 輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點:輸入部分從現(xiàn)場設備中采集信號，輸出部分則控制泵、電機、以及控也過程中的其他設備;l 電源向CPU 及其所連接的任何設備提供電力;l 通訊端口允許將S7-200 CPU同編程器或其他一些設備連起來;l 狀態(tài)信號燈顯示了CPU 的工作模式(運行或停止)，本機I/O的當前狀態(tài)，以及檢查出來的系統(tǒng)錯誤;l 通過擴展模塊可提供其通訊性能;l 通過擴展模塊可增加CPU的I/O點數(shù)(CPU 221不擴展);l 一些CPU有內置的實時時

3、鐘，或添加實時時鐘卡;l EEPROM卡可以存儲CPU程序，也可以將一個CPU中的程序送到另一個CPU中;l 通過可選的插入式電池盒可延長RAM中的數(shù)據(jù)存儲時間;l 最大I/O配置。( 2) SH-2H057驅動器輸入信號共有三路，他們是:步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機電平信號FREE.他們在驅動器內部分別通過270的限流電阻接入光耦的負輸入端，且電路形式完全相同，三路光耦的正輸入端為OPTO端，三路輸入信號在驅動器內部接成共陽方式，所以OPTO端需接外部系統(tǒng)的VCC端，如果VCC是+5伏，可直接接入;否則需在外部另加限流電阻，保證給驅動器內部光耦提供8-15mA的驅動電流。l 步

4、進脈沖信號CP 步進脈沖信號CP用于控制步進電機的位置和速度，也就是說:驅動器每接受一個CP脈沖就驅動步進電機旋轉一個步角度，CP脈沖的頻率改變則同時是步進電機的速率改變，控制CP脈沖的個數(shù)，則可以使步進電機精確定位。這樣就可以很方便的達到步進電機調速和定位的目的。本驅動器的CP信號為低電平有效，要求CP信號的驅動電流為8-15mA，對CP脈沖寬度也有一定要求，一般不小于5s。l 方向電平信號DIR 方向電平信號DIR用于控制步進電機的旋轉方向。此端為高電平時，電機為一個轉向;次端為低電平時，電機為另一個轉向。電機換向必須在電機停止后再進行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結束

5、后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出。l 脫機電平信號FREE當驅動器上電后，步進電機處于鎖定狀態(tài)(未施加CP脈沖時)或運行狀態(tài)(施加CP脈沖)，但用戶想手動調整電機而又不想關閉驅動器電源，這時可以用到此信號，此信號低電平有效，電機處于自由無力矩狀態(tài);當此信號為高電平或懸空不接時，取消脫機狀態(tài)。l 步進電機簡介 SH-2H057型驅動器用于驅動二相或四相混合式步進電機(亦稱感應子式)，此驅動器一般驅動60號機座以下電機。電機的出線方式不同，與驅動器的連接也不同。本系統(tǒng)使用的電機為二相四根線電機，可以直接和驅動器相連。見圖1的機械手電機驅動模塊原理圖。2.0系統(tǒng)工作工程 本系統(tǒng)的機械手部分由底

6、盤、立桿、手臂、手組成，其中底盤由一個步進電機驅動，可順逆時針旋轉;立桿由一個步進電機驅動，可上下移動;手臂由一個步進電機驅動，可前后伸縮;手由氣泵控制，可抓緊和放松。在相應位置都有位置檢測信號用于定位。參見圖1。(1) 出貨過程 從復位位置啟動,根據(jù)要求到相應出貨臺(1，2，3號貨臺),此時底盤轉動到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓貨物,立柱上升,同時手臂回收(以免運行中與其它設備相撞),然后到相應出貨臺(左,或右出貨臺),立柱下降,手臂伸出,手打開,把貨物放在相應出貨臺上。(2) 進貨過程 從復位位置啟動,根據(jù)要求到相應出貨臺(左，或右出貨臺),此時底盤轉動到要求位置，立柱下降,手

7、臂伸出,定位后手抓貨物,立柱上升,同時手臂回收(以免運行中與其它設備相撞),然后到相應出貨臺(1，2，3號貨臺),立柱下降,手臂伸出,手打開,把貨物放在相應出貨臺上。 3.0 系統(tǒng)設計思想 步進控制電路設計思想，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，給出步進脈沖，其振蕩頻率按步進電機速度設置，步進量的控制采用位置檢測，根據(jù)位置檢測信號用PLC的輸出點切斷進給電機，實現(xiàn)步進電機的停車, 其程序流程圖如圖2所示。 在整個機械手運行控制過程中，采用限位開關以及面板操作開關以及系統(tǒng)邏輯開關作為輸入點，整個系統(tǒng)中底盤有5個限位開關，分別作為5個位置的定位輸入點，立柱有4個限位開關

8、，分別為1個復位開關、一號位限位輸入量、上限位、下限位。手臂有3個限位開關:手臂復位限位數(shù)入點、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位開關，為抓手復位輸入點。一共13個限位開關完成全部的控制輸入。各限位開關分布情況見圖1， 由于在整個控制過程中全部是通過控制步進電機驅動模塊再驅動步進電機執(zhí)行。這里對用集成脈沖輸出觸發(fā)步進電機驅動器原理進行說明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分別對升/降步進電機、前/后步進電機發(fā)送脈沖;CPU 226的Q0.2對轉盤步進電機發(fā)送脈沖。而步進電機的正/反轉則分別是CPU 226的Q0.4和Q0.5分別對升/降步進電機、前/后步進電機實行控制;

9、CPU 226 的Q0.6和Q0.7分別對轉盤步進電機正反、抓手氣泵開關實行控制。 機械手PLC程序的設計編寫采用了STEP 7-Micro/WIN32軟件的數(shù)據(jù)表(STL)的形式。程序設計修改方便，設計完成可聯(lián)機調試，沒有問題再把步進電機接上。 上位機監(jiān)控軟件采用北京亞控的組態(tài)王軟件，通過變量映射實現(xiàn)組態(tài)軟件的變量與PLC的寄存器的動態(tài)連接，從而實現(xiàn)了上位機對PLC的監(jiān)控。4.0 結束語 本機械手控制系統(tǒng)結構緊湊，動作可靠，使用方便，已較好地應用于我校的科研教學中.隨著社會生產不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制

10、理論的不斷完善，使機械手技術快速發(fā)展，其中氣動機械手系統(tǒng)由于其介質來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動機械手有氣控機械手、XY軸絲杠組、轉盤機構、旋轉基座等機械部分組成。主要作用是完成機械部件的搬運工作，能放置在各種不同的生產線或物流流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。一、四軸聯(lián)動簡易機械手的結構及動作過程機械手結構如下圖1所示，有氣控機械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉盤機構(3)、旋轉基座(4)等組成。 其運動控制方式為：(1)由伺服電機驅動可旋轉角度為360的氣控機械手(有光電傳感

11、器確定起始0點)；(2)由步進電機驅動絲杠組件使機械手沿X、Y軸移動(有x、y軸限位開關)；(3)可回旋360的轉盤機構能帶動機械手及絲杠組自由旋轉(其電氣拖動部分由直流電動機、光電編碼器、接近開關等組成)；(4)旋轉基座主要支撐以上3部分；(5)氣控機械手的張合由氣壓控制(充氣時機械手抓緊，放氣時機械手松開)。其工作過程為：當貨物到達時，機械手系統(tǒng)開始動作；步進電機控制開始向下運動，同時另一路步進電機控制橫軸開始向前運動；伺服電機驅動機械手旋轉到達正好抓取貨物的方位處，然后充氣，機械手夾住貨物。步進電機驅動縱軸上升，另一個步進電機驅動橫軸開始向前走；轉盤直流電機轉動使機械手整體運動，轉到貨物

12、接收處；步進電機再次驅動縱軸下降，到達指定位置后，氣閥放氣，機械手松開貨物；系統(tǒng)回位準備下一次動作。二、控制器件選型為達到精確控制的目的，根據(jù)市場情況，對各種關鍵器件選型如下：1.步進電機及其驅動器機械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是北京四通電機技術有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進電機，步距角為0.9/1.8，電流1.5A。M1是橫軸電機，帶動機械手機構伸、縮；M2是縱軸電機，帶動機械手機構上升、下降。所選用的步進電機驅動器是SH-20403型，該驅動器采用1040V直流供電，H橋雙極恒相電流驅動，最大3A的8種輸出電流可選，最大64細分的7種細分模式可選，輸入信號光電隔離，標

13、準單脈沖接口，有脫機保持功能，半密閉式機殼可適應更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動半電流方式。驅動器內部的開關電源設計，保證了驅動器可適應較寬的電壓范圍，用戶可根據(jù)各自情況在1040VDC之間選擇。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機的高速力矩，但卻會加大驅動器的損耗和溫升。本驅動器最大輸出電流值為3A/相(峰值)，通過驅動器面板上六位撥碼開關的第5、6、7三位可組合出8種狀態(tài)，對應8種輸出電流，從0.9A到3A以配合不同的電機使用。本驅動器可提供整步、改善半步、4細分、8細分、16細分、32細分和64細分7種運行模式，利用驅動器面板上六位撥碼開關的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài)。2.伺

14、服電機及其驅動器機械手的旋轉動作采用松下伺服電機A系列小慣量MSMA5AZA1G，其額定輸出50W、100/200V共用，旋轉編碼器規(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，無制動器，軸采用鍵槽連接。該電機采用松下公司獨特算法，使速度頻率響應提高2倍，達到500Hz；定位超調整定時間縮短為以往松下伺服電機產品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，可彌補機械的剛性不足，從而實現(xiàn)高速定位，也可通過外接高精度的光柵尺，構成全閉環(huán)控制，進一步提高系統(tǒng)精度。具有常規(guī)自動增益調整和實時自動增益調整兩種自動增益調整方式，還配有RS-485、RS

15、-232C通信口，使上位控制器可同時控制多達16個軸。伺服電機驅動器為A系列MSDA5A3A1A，適用于小慣量電動機。3.直流電機可回旋360的轉盤機構有直流無刷電機帶動，系統(tǒng)選用的是北京和時利公司生產的57BL1010H1無刷直流電機，其調速范圍寬、低速力矩大、運行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無刷直流電機驅動器使用北京和時利公司生產的BL-0408驅動器，其采用2448V直流供電，有起停及轉向控制、過流、過壓及堵轉保護，且有故障報警輸出、外部模擬量調速、制動快速停機等特點。4.旋轉編碼器在可回旋360的轉盤機構上，安裝有OMRON公司生產的E6A2增量型旋轉編碼器，編碼器將信號傳給PLC，實現(xiàn)轉盤機構的精確定位。5. PLC的選型根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，選用OMRON公司生產的CPM2A小型機。CPM2A在一個小巧的單元內綜合有各種性能，包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設定和時鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個獨立單元，能處理廣泛的機械控制應用問題，所以它是在設備內用作內裝控制單元的理想產品。完整的通信功能保證了與個人計算機、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)動簡易機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程序設計的基礎。只有設計出流程圖，才可能順利而便