基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計與應用

1、 基于plc的機械手控制系統(tǒng)設計與應用 【摘要】自動化機械手作為工業(yè)生產(chǎn)設備中的重要組成部分，其自動化水平的高低直接關系著企業(yè)的生產(chǎn)效率，必須引起高度重視。本文介紹了機械手的基本組成，完成了plc硬件和軟件的設計。應用結(jié)果表明，基于plc的機械手控制系統(tǒng)能夠滿足設計要求，具有很好的應用前景?！娟P鍵詞】機械手；plc；控制系統(tǒng)；設計引言近些年來，我國社會經(jīng)濟的發(fā)展水平越來越高，國家工業(yè)生產(chǎn)不斷強大，科學技術逐漸創(chuàng)新，工業(yè)自動化程度隨之提高1。機械手自上世紀五十年代末出現(xiàn)，1972年中國研發(fā)的機械手誕生，引領全國科研人員進行機械手的研發(fā)和應用。至今為止，機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，具有強大的邏輯控制能力，plc控制下的機械手已在各行各業(yè)得到了較為廣泛的應用，獲得了各界人士的認可3。因此本文結(jié)合筆者的設計經(jīng)驗和工作需要，擬開展基于plc的機械手控制系統(tǒng)的設計工作。1機械手的組成機械手技術涉及學科比較廣，包括機械、力學、自動控制等學科，還有計算機技術、電氣技術的應用。主要由驅(qū)動機構(gòu)、控制機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、位置檢測機構(gòu)等部件組成，實現(xiàn)自動化定位控制。1.1驅(qū)動機構(gòu)分為氣動、液動、電動、機械式四種形式。氣動，以壓縮空氣實現(xiàn)驅(qū)動要求，反應速度快，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝性較好，成本低，使用壽命長，易于維護和調(diào)節(jié)；液動，以壓力油進行驅(qū)動，慣性小、沖擊小、工作平穩(wěn)，易控制易調(diào)

3、節(jié)，操作方便，可實現(xiàn)連續(xù)控制；機械驅(qū)動，是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳遞給機械手的一種驅(qū)動方式，采用點位控制或者機械式的擋塊定位控制，動作簡單；電控，驅(qū)動機構(gòu)為電機，通過plc，實現(xiàn)多方位自動控制，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)動方式。1.2控制機構(gòu)控制機構(gòu)是實現(xiàn)動作順序、動作位置、動作啟停以及信號采集的主要部件。對于氣動、液動和電動機構(gòu)，由控制機構(gòu)來實現(xiàn)動作時間、動作速度和加減速的控制。現(xiàn)在一般采用可編程的運動控制器控制，伺服電機系統(tǒng)實現(xiàn)動作要求，主要控制電機動作順序以及坐標位置。1.3執(zhí)行機構(gòu)要求：響應速度快、動作靈敏度高、動態(tài)性能好、動

4、靜態(tài)精度高、效率可靠性高。執(zhí)行機構(gòu)，主要是控制機構(gòu)采集控制信號，當信號產(chǎn)生變化時，輸出給執(zhí)行機構(gòu)相應的動作變化，被稱為實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的手足。1.4位置檢測機構(gòu)位置檢測裝置，是機械手的重要組成部分，由檢測元件和信號處理裝置組成。在閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，實時檢測執(zhí)行機構(gòu)的位移、角度、速度等信號，變換成控制單元所需要的控制形式，將運動部件位置實時反饋給控制機構(gòu)，實現(xiàn)機械手位置、扭矩閉環(huán)控制。整個機械手的控制精度，在很大程度上，由位置檢測機構(gòu)的精度決定。2機械手控制機構(gòu)plc硬件設計針對機械手的應用情況，不同的信號采集，plc配備了各種接口，方便配置相應的i/o模塊，包括開關量輸入/輸出模塊、模擬

5、量信號采集、模擬量信號輸出模塊、通信接口模塊等。plc在機械手控制過程中的基本作用是接收上位機或外界按鈕傳來的控制信號，將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為機械手的控制動作。本次選用了臺達dvp系列運動控制器，dvp-50mc是基于ethercat 總線的多軸運動控制器，總線傳輸速率達到100mbps，采用分布式時鐘，可以快速、準確、高效的傳輸數(shù)據(jù)。編程器canopen builder編寫程序時，使用梯形圖，編程快捷簡單。強大的庫文件，單軸的位置、速度、扭矩、等運動指令庫直接調(diào)取使用，多軸控制指令也能夠滿足各種使用方式。強大的現(xiàn)場網(wǎng)絡，可組建功能復雜的控制系統(tǒng)。種類眾多的io 擴展，使用簡單、功能完整，方便應用?？紤]

6、機械手的工作環(huán)境，上位機選用研華工控機，研華工控機主要優(yōu)點是耐腐蝕，抗灰塵，抗振動，抗輻射，帶橡膠墊固定壓條的獨特設計可有效防止卡在受到?jīng)_擊震動時造成損壞，能夠在惡劣的環(huán)境下持久穩(wěn)定運行。3機械手控制機構(gòu)軟件設計3.1 plc軟件設計編程之前，第一要硬件組態(tài)，設定plc主機的相關參數(shù)，以及對所搭建的模組進行組態(tài)配置與參數(shù)設定。第二網(wǎng)絡規(guī)劃，進行網(wǎng)絡架構(gòu)、網(wǎng)絡部署、com通訊資料交換、ethernet通訊資料交換等網(wǎng)絡組態(tài)，配置通訊參數(shù)地址。第三建立程式，按機械手動作要求編寫控制邏輯，于canopen builder編輯器上編寫程序，并在編寫完成后進行編譯工作。最后進行程序的測試與除錯，無報錯后

7、，將編譯完成的程序包括硬件與網(wǎng)絡組態(tài)參數(shù)下載至plc運行，并可以進行線上監(jiān)控以及參數(shù)在線更改。3.1.1 伺服電機配置與控制plc通過ethercat總線控制多軸伺服運動。ethercat 總線是基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線，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 系列運動控制器采用coe 協(xié)議。網(wǎng)絡配置完成后，需配置各個軸參數(shù)，包括軸名稱、軸站號、軸類型（線性軸/旋轉(zhuǎn)軸）和單元（導程單位）、通訊參數(shù)（速度、位置、扭矩、溫度等參數(shù)）、電子齒輪比、原點回歸模式等參數(shù)。其中電子齒輪比需要根據(jù)機械

8、結(jié)構(gòu)傳動比，設定伺服電機轉(zhuǎn)一圈需要多少個脈沖信號。3.1.2與上位機通訊dvp-50mc控制器通過以太網(wǎng)與上位機通訊，選用modbus通訊方式。報文結(jié)構(gòu)ascii,通訊數(shù)據(jù)包括：起始字符、通訊站號、功能碼、數(shù)據(jù)、lrc校驗碼、結(jié)束字符。在canopen builder編輯器上需配置通訊數(shù)據(jù)，例如配置一個字符的裝配地址為%iw0，對應modbus地址0x8000，表示該字符為讀取；配置一個字符的裝配地址為%qw0，對應modbus地址為0xa000，表示該字符為寫入。3.2 labview軟件設計labview的功能可以實現(xiàn)信號處理、分析和連接， pid計算、模糊控制原理、信號分析、控制模塊與仿

9、真模塊，實現(xiàn)運動控制的仿真與動作實現(xiàn)；modbus數(shù)據(jù)通訊模塊，與plc實時數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)記錄模塊， microsoft office報表生成工具包，數(shù)據(jù)庫連接配置模塊，可以快速記錄、管理工作過程中的數(shù)據(jù)，按要求生成記錄報表。4應用效果評價為了驗證機械手的設計效果，將其應用于企業(yè)高溫件加工生產(chǎn)線中進行了為期半年的試用。相較于以前人工操作，機械手成功代替了人工，實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)。統(tǒng)計得到該生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率提升近20%，單件生產(chǎn)成本降低6%，預計會為企業(yè)創(chuàng)造30萬/年的經(jīng)濟效益，取得了很好的應用效果。5結(jié)束語工業(yè)水平的不斷提高，對機械手需求增多，逐步擴大了對機械手的使用，機械手自動化控制技術將是未來機械發(fā)展的主要趨勢。根據(jù)生產(chǎn)線機械手功能提出的技術要求，完成了plc控制系統(tǒng)的硬件、軟件、上位機等設計。機械手應用于企業(yè)生產(chǎn)能夠滿足設計要求，取得了很好的應用效果。參考文獻：1文方, 房弛, 陳芳.