PLC機械手基本控制設(shè)計方案

1.０引言

本文以某物流掌握中的機械手掌握為例,分析了PLＣ與步進驅(qū)動裝置的掌握方法，本系統(tǒng)涉及的主要硬件是S7-2０0ＰLＣ和SH—２Ｈ0５7步進驅(qū)動器。（1）S7—200PLC系列是西門子公司的可編程掌握器,這一系列產(chǎn)品可以滿意多種多樣的自動化掌握要求,由于具有緊湊的設(shè)計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令,使得S７-200ＰLC可以滿意小規(guī)模的掌握要求。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S7-２０0ＰＬＣ包括一個單獨的Ｓ7－2０0CPU,或者帶有各種各樣的可選擴展模塊。S７-2０0CＰU模塊包括一個中央處理單元（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(shè)備中.?lCPU負責執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù),以便對工業(yè)自動化掌握任務(wù)或過程進行掌握；?l輸入和輸出是系統(tǒng)的掌握點:輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號,輸出部分則掌握泵、電機、以及控也過程中的其他設(shè)備；

l電源向ＣPU及其所連接的任何設(shè)備供應(yīng)電力;?l通訊端口允許將S7-2００ＣPU同編程器或其他一些設(shè)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通過擴展模塊可供應(yīng)其通訊性能;?l通過擴展模塊可增加ＣPＵ的I/Ｏ點數(shù)(CPＵ221不擴展）；

l一些ＣPU有內(nèi)置的實時時鐘,或添加實時時鐘卡;?lEEPＲＯＭ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.

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２）SH-2H057驅(qū)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(qū)動器內(nèi)部分別通過2７0Ω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(qū)動器內(nèi)部接成共陽方式,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;否則需在外部另加限流電阻,保證給驅(qū)動器內(nèi)部光耦供應(yīng)8—１5ｍA的驅(qū)動電流.?l步進脈沖信號ＣP?

步進脈沖信號CＰ用于掌握步進電機的位置和速度，也就是說:驅(qū)動器每接受一個CP脈沖就驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步角度，ＣP脈沖的頻率轉(zhuǎn)變則同時是步進電機的速率轉(zhuǎn)變，掌握CP脈沖的個數(shù),則可以使步進電機精確定位。這樣就可以很便利的達到步進電機調(diào)速和定位的目的.本驅(qū)動器的CP信號為低電平有效,要求CP信號的驅(qū)動電流為8-1５mA，對CP脈沖寬度也有肯定要求,一般不小于5μs。

l方向電平信號DIＲ?

方向電平信號ＤIＲ用于掌握步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。此端為高電平常，電機為一個轉(zhuǎn)向;次端為低電平常，電機為另一個轉(zhuǎn)向.電機換向必須在電機停止后再進行，并且換向信號肯定要在前一個方向的最后一個ＣP脈沖結(jié)束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(qū)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(diào)整電機而又不想關(guān)閉驅(qū)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(qū)動器用于驅(qū)動二相或四相混合式步進電機（亦稱感應(yīng)子式),此驅(qū)動器一般驅(qū)動60號機座以下電機。電機的出線方式不同,與驅(qū)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(qū)動器相連。見圖１的機械手電機驅(qū)動模塊原理圖。2。０系統(tǒng)工作工程?

本系統(tǒng)的機械手部分由底盤、立桿、手臂、手組成，其中底盤由一個步進電機驅(qū)動，可順逆時針旋轉(zhuǎn)；立桿由一個步進電機驅(qū)動，可上下移動；手臂由一個步進電機驅(qū)動，可前后伸縮；手由氣泵掌握,可抓緊和放松.在相應(yīng)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(fù)位位置啟動，依據(jù)要求到相應(yīng)出貨臺(１，2，3號貨臺),此時底盤轉(zhuǎn)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(shè)備相撞）,然后到相應(yīng)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(yīng)出貨臺上。?（２）進貨過程?

從復(fù)位位置啟動，依據(jù)要求到相應(yīng)出貨臺(左,或右出貨臺），此時底盤轉(zhuǎn)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(shè)備相撞)，然后到相應(yīng)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(yīng)出貨臺上。３.0系統(tǒng)設(shè)計思想?

步進掌握電路設(shè)計思想,ＰＬC繼電器式輸出模塊工作速度較低,故采納高頻脈沖方波發(fā)生器，給出步進脈沖，其振蕩頻率按步進電機速度設(shè)置，步進量的掌握采納位置檢測，依據(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.?

在整個機械手運行掌握過程中，采納限位開關(guān)以及面板操作開關(guān)以及系統(tǒng)規(guī)律開關(guān)作為輸入點，整個系統(tǒng)中底盤有5個限位開關(guān)，分別作為５個位置的定位輸入點，立柱有4個限位開關(guān),分別為1個復(fù)位開關(guān)、一號位限位輸入量、上限位、下限位。手臂有3個限位開關(guān)：手臂復(fù)位限位數(shù)入點、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。一共1３個限位開關(guān)完成全部的掌握輸入.各限位開關(guān)分布情況見圖１，

由于在整個掌握過程中全部是通過掌握步進電機驅(qū)動模塊再驅(qū)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(qū)動器原理進行說明。S7—2００PLC(CPＵ２２6)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;CPU2２6的Ｑ０．2對轉(zhuǎn)盤步進電機發(fā)送脈沖。而步進電機的正/反轉(zhuǎn)則分別是CＰＵ226的Q0．4和Ｑ0。5分別對升/降步進電機、前/后步進電機實行掌握;ＣＰU22６的Ｑ０.6和Q0.7分別對轉(zhuǎn)盤步進電機正反、抓手氣泵開關(guān)實行掌握。?

機械手PLC程序的設(shè)計編寫采納了ＳTＥP７—Ｍｉcｒo/ＷIN32軟件的數(shù)據(jù)表(ＳTＬ)的形式。程序設(shè)計修改便利，設(shè)計完成可聯(lián)機調(diào)試,沒有問題再把步進電機接上.?

上位機監(jiān)控軟件采納北京亞控的組態(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(jié)束語?

本機械手掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,動作牢靠，使用便利，已較好地應(yīng)用于我校的科研教學中.隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快,人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛進展和現(xiàn)代掌握理論的不斷完善,使機械手技術(shù)快速進展,其中氣動機械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修便利和系統(tǒng)平安牢靠等特點，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門,在工業(yè)進展中占有重要地位。本文敘述的氣動機械手有氣控機械手、ＸY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)及動作過程??機械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示，有氣控機械手（1)、XY軸絲杠組（2)、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)（3）、旋轉(zhuǎn)基座（4）等組成。?

其運動掌握方式為:（１）由伺服電機驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)角度為3６0°的氣控機械手（有光電傳感器確定起始0點）;（2）由步進電機驅(qū)動絲杠組件使機械手沿Ｘ、Ｙ軸移動(有ｘ、ｙ軸限位開關(guān)）；(3）可回旋３60°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)能帶動機械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)（其電氣拖動部分由直流電動機、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)氣控機械手的張合由氣壓掌握（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)開頭動作;步進電機掌握開頭向下運動,同時另一路步進電機掌握橫軸開頭向前運動；伺服電機驅(qū)動機械手旋轉(zhuǎn)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(qū)動縱軸上升,另一個步進電機驅(qū)動橫軸開頭向前走；轉(zhuǎn)盤直流電機轉(zhuǎn)動使機械手整體運動，轉(zhuǎn)到貨物接收處;步進電機再次驅(qū)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)回位籌備下一次動作。

?二、掌握器件選型??為達到精確掌握的目的，依據(jù)市場情況,對各種關(guān)鍵器件選型如下：??1。步進電機及其驅(qū)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(shù)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(gòu)伸、縮；Ｍ2是縱軸電機，帶動機械手機構(gòu)上升、下降。所選用的步進電機驅(qū)動器是ＳH—２0４03型，該驅(qū)動器采納10～40Ｖ直流供電，H橋雙極恒相電流驅(qū)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,標準單脈沖接口，有脫機保持功能，半密閉式機殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境，供應(yīng)節(jié)能的自動半電流方式。驅(qū)動器內(nèi)部的開關(guān)電源設(shè)計,保證了驅(qū)動器可適應(yīng)較寬的電壓范圍，用戶可依據(jù)各自情況在１０～4０VDＣ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(qū)動器的損耗和溫升。本驅(qū)動器最大輸出電流值為３A/相（峰值）,通過驅(qū)動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),對應(yīng)８種輸出電流,從0.9A到３A以協(xié)作不同的電機使用。本驅(qū)動器可供應(yīng)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(qū)動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．伺服電機及其驅(qū)動器?

機械手的旋轉(zhuǎn)動作采納松下伺服電機A系列小慣量ＭＳMA５A(chǔ)ＺA1G，其額定輸出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，無制動器，軸采納鍵槽連接。該電機采納松下公司獨特算法，使速度頻率響應(yīng)提高2倍，達到5００Hz；定位超調(diào)整定時間縮短為以往松下伺服電機產(chǎn)品Ｖ系列的1/4。具有共振抑制功能、掌握功能、全閉環(huán)掌握功能，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(gòu)成全閉環(huán)掌握，進一步提高系統(tǒng)精度.具有常規(guī)自動增益調(diào)整和實時自動增??益調(diào)整兩種自動增益調(diào)整方式，還配有ＲＳ-４8５、RS－232Ｃ通信口，使上位掌握器可同時掌握多達16個軸。伺服電機驅(qū)動器為A系列MSＤA５A(chǔ)３A1A，適用于小慣量電動機。??3．直流電機??可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)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(chǎn)的57BL１0１0H１無刷直流電機,其調(diào)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(qū)動器使用北京和時利公司生產(chǎn)的BＬ—04０８驅(qū)動器，其采納２4～４8Ｖ直流供電,有起停及轉(zhuǎn)向掌握、過流、過壓及堵轉(zhuǎn)保護，且有故障報警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動快速停機等特點.??4。旋轉(zhuǎn)編碼器??在可回旋３６0°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)上，安裝有OMＲON公司生產(chǎn)的E6A2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將信號傳給PLC,實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的精確定位。??5.PLC的選型??依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求,選用OMＲON公司生產(chǎn)的CPM２A小型機.ＣPＭ２A在一個小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能，包括同步脈沖掌握、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設(shè)定和時鐘功能等。CPＭ2A的CPU單元又是一個獨立單元，能處理廣泛的機械掌握應(yīng)用問題,所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝掌握單元的抱負產(chǎn)品。完整的通信功能保證了與個人計算機、其它OMRONPC和ＯＭROＮ可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯(lián)動簡易機械手能便利的融合到工業(yè)掌握系統(tǒng)中。??三、軟件編程?

1.軟件流程圖??流程圖是ＰLC程序設(shè)計的基礎(chǔ)。只有設(shè)計出流程圖，才可能順