【正文】 PLC上連接位置控制模塊,通過位置控制模塊對(duì)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手中五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)主要由五臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)都裝有機(jī)械限位裝置，即在每個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的極限位置都裝有回零位的行程開關(guān)。在機(jī)械手的手部用氣動(dòng)電磁閥來控制夾手的夾緊與放松。在搬運(yùn)物品的起始端與終止端裝有傳感器以檢測(cè)物品是否搬運(yùn)到位。11軸 22軸 33軸 44軸 5夾手 6基座 圖21 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中每個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)都存在著運(yùn)動(dòng)限位，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍都有機(jī)械限位與軟件限位兩種，機(jī)械限位一般由機(jī)械手硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成，機(jī)械手在制作的過程中總存在著硬件的極限位置限制了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到極限位置便停止機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的軟件限位一般由軟件編程來實(shí)現(xiàn)，軟件限位一般置于機(jī)械限位之前，在編制程序的過程中當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)發(fā)出信號(hào)停止機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)以達(dá)到保護(hù)的目的。在此次的設(shè)計(jì)中機(jī)械手只采用了軟件限位與硬件保護(hù)。軟件限位通過軟件編程限制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍，硬件保護(hù)通過機(jī)械手的硬件來實(shí)現(xiàn)，硬件保護(hù)只能保護(hù)機(jī)械手不受損壞而不能停止機(jī)械手電機(jī)動(dòng)作。零點(diǎn)位置是機(jī)械手能按軌跡準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)的重要位置。機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中必須有參考點(diǎn)，我們將機(jī)械手的零點(diǎn)作為運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)，任何運(yùn)動(dòng)都要在此基礎(chǔ)上開始。機(jī)械手在完成搬運(yùn)過程后都要回到零點(diǎn)，為下一次搬運(yùn)做好準(zhǔn)備。我們將機(jī)械手最原始的靜止位置作為機(jī)械手的零點(diǎn)，在此位置上各軸安裝上行程開關(guān)，通過行程開關(guān)的通斷為機(jī)械手提供是否回零點(diǎn)的信號(hào)，控制機(jī)械手能否執(zhí)行下一步動(dòng)作程序。在搬運(yùn)物品的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)都應(yīng)安裝檢測(cè)物品的傳感器，起始位置上若傳感器檢測(cè)出有需要搬運(yùn)的物品時(shí)就能發(fā)出信號(hào)控制PLC，通過程序控制機(jī)械手搬運(yùn)物品。在搬運(yùn)物品的終止點(diǎn)也安放傳感器，通過傳感器發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)控制機(jī)械手下放物品，以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。終止端的傳感器是否發(fā)出檢測(cè)信號(hào)就能檢測(cè)出機(jī)械手搬運(yùn)物品是否精確，若機(jī)械手不能準(zhǔn)確的物品放在終止點(diǎn)的位置上就不能控制機(jī)械手執(zhí)行下一步的搬運(yùn)。因此，在選擇傳感器的型號(hào)是一個(gè)關(guān)鍵，傳感器不能有誤動(dòng)作的情況，并且一定要使機(jī)械手準(zhǔn)確的達(dá)到起始位置上與終止位置上才能發(fā)也觸發(fā)信號(hào)。選用傳感器的型號(hào)為CX24，該型號(hào)的傳感器為擴(kuò)散反射型短距離傳感器，有較強(qiáng)的抗干擾能力，能檢測(cè)出透明、半透明、不透明物品，檢測(cè)距離只有300mm,如流水線上物品的檢測(cè)。該傳感器的反應(yīng)時(shí)間小于1ms,體積小適合于安裝在狹小位置。CX24不附帶安裝的支架，在安裝的過程中可以將傳感器固定在搬運(yùn)物品起始步與終止點(diǎn)位置。在傳感器的工作中我們可以通過調(diào)整傳感器的旋鈕來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，該傳感器沒有安裝反射板，在工作中傳感器發(fā)射出光線，若沒有檢測(cè)出物品便無法將光線反射回來，若檢測(cè)到物品光線就通過物品反射回傳感器的接收管。機(jī)械手到達(dá)起始位置或終止位置便要控制夾手開∕合來夾起∕下放物品。夾手使用SVK0120型氣動(dòng)電磁閥。氣動(dòng)電磁閥是二位五通電磁閥，,反應(yīng)時(shí)間小于30ms,最高操作頻率為5次∕秒。控制夾手的夾緊與放松是通過PLC發(fā)出控制信號(hào)使電磁閥接通到不同的位上來控制的。由于該機(jī)械手屬于教學(xué)實(shí)驗(yàn)型機(jī)械手，因此在該型號(hào)氣動(dòng)電磁閥基本上能滿足控制要求。圖22 設(shè)計(jì)總體方框圖本次控制方案如圖22所示，其中1號(hào)PLC控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，通過RS232串行通信與2號(hào)PLC進(jìn)行聯(lián)機(jī)，2號(hào)PLC控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，1號(hào)PLC擴(kuò)展位置控制模塊，該模塊控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，且1號(hào)PLC通過PCLink與其它加工單元進(jìn)行通信。 PLC型號(hào)的選擇一、PLC控制的可靠性工業(yè)生產(chǎn)一般要求控制設(shè)備具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，對(duì)可靠性要求很高，絕大多數(shù)用戶也都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，平均無故障工作時(shí)間比繼電器系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)長，可靠性高，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。（1）硬件措施對(duì)供電系統(tǒng)以及I/O線路采用了較多的濾波環(huán)節(jié)。如采用LC、型濾波網(wǎng)絡(luò)，對(duì)高頻干擾信號(hào)有良好的抑制作用。對(duì)微處理器所需的+5V電源，采用多級(jí)濾波并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，它對(duì)過電壓、欠電阻均有—定的保護(hù)作用。為防止PLC故障和誤動(dòng)作，在微處理器部分及I/O回路之間采用了多種形式的隔離措施，這樣能有效地隔離輸入、輸出間電的聯(lián)系。在PLC中，所有輸出模塊都受開門信號(hào)控制，而這個(gè)信號(hào)只有在規(guī)定的條件都滿足時(shí)才有效，以防止被控對(duì)象誤動(dòng)作。PLC大多采用模塊結(jié)構(gòu)，這對(duì)縮短故障修復(fù)時(shí)間方面有著重要作用。當(dāng)故障查出在某一模塊上，只要及時(shí)更換，就大大縮小了尋找范圍，加快修復(fù)速度。（2）抗干擾軟件措施PLC除了采用硬件措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力之外，還充分利用本身具有微機(jī)的高速、大容量的特點(diǎn)，發(fā)揮軟件的優(yōu)勢(shì)，保證系統(tǒng)不因干擾而停止而且又能達(dá)到工程所要求的精度和速度。對(duì)于較低信噪比的模擬量輸入信號(hào),PLC采用A/D模塊轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)，將形成的數(shù)據(jù)時(shí)間序列存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，利用數(shù)據(jù)濾波程序?qū)Υ诉M(jìn)行處理，從而濾去噪音部分而獲得單純信號(hào)。對(duì)于開關(guān)量輸入，為防止輸入觸點(diǎn)的抖動(dòng)和接觸不良，PLC采用了逐次掃描輸入和掃描輸出的方法提高運(yùn)行的可靠性。PLC有比較完整的故障檢測(cè)系統(tǒng)，軟件能定期地檢測(cè)外界環(huán)境，如掉電，強(qiáng)干擾信號(hào)等等，以便及時(shí)地進(jìn)行故障處理。對(duì)于偶發(fā)性故障，PLC能在檢測(cè)到故障條件時(shí)，立即把狀態(tài)存入存儲(chǔ)器，并以軟硬配合對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行封閉，禁止對(duì)存儲(chǔ)器的任何操作，以防存儲(chǔ)器內(nèi)容被破壞。這樣，一旦檢測(cè)到外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)故障前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的處理。在PLC中還采用程序驅(qū)動(dòng)故障指示的診斷方法。這是用一般經(jīng)常執(zhí)行的程序，使硬件產(chǎn)生一些規(guī)定的信號(hào)，用這個(gè)信號(hào)來指示CPU處于正常狀態(tài)，萬一CPU發(fā)生故障，這個(gè)規(guī)定信號(hào)就不再出現(xiàn)，從而指示CPU的故障狀態(tài)。二、松下PLC的特點(diǎn)在對(duì)機(jī)械手的控制中選松下PLC來控制步進(jìn)電機(jī)。松下FP系列PLC有以下幾方面特點(diǎn)：[6]（1） 豐富的指令系統(tǒng)在FP系列PLC中即使是小型機(jī)也具有近200條指令，除能實(shí)現(xiàn)一般邏輯控制還可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，甚至可以控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速與對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。（2） 快速的CPU處理速度 FP系列機(jī)中CPU速度均優(yōu)于同類產(chǎn)品，小型機(jī)尤為突出。（3） 大程序容量 FP系列的用戶程序容量也較同類機(jī)型大，其小型機(jī)一般可達(dá)3千步左右，最多可達(dá)5千步，而大型機(jī)最高可達(dá)60千步。（4） 功能強(qiáng)大的編程工具 FP系列機(jī)不論采用的是手持編程器還是編程工具軟件，其編程及監(jiān)控功能都很強(qiáng)。（5） 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能。 FP系列的各種機(jī)型都提供了通信功能，而且它們所采用的應(yīng)用層通信協(xié)議具有一致性，這為構(gòu)成多級(jí)PLC網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)PLC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供了方便。并且在PLC最高層的管理網(wǎng)絡(luò)中采用了包含TCP/IP技術(shù)的Ethemet網(wǎng)，可通過它連接到計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)上。三、PLC型號(hào)的選擇此次研究的機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)主要由PLC與位置控制模塊來控制，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是由五臺(tái)步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作而完成的，其中PLC控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，位置控制模擬控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。因此在選用PLC的型號(hào)時(shí)就應(yīng)在滿足機(jī)械手的硬件要求下完成的。在本次設(shè)計(jì)中要選用兩臺(tái)PLC通過采用RS232通信端口使用串行通信傳輸數(shù)據(jù)來控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。本次設(shè)計(jì)選擇PLC型號(hào)為松下FPΣ32。FPΣ32型PLC輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)，體積小，容量大，具有12K的編程容量，并且具有中型PLC所具備的所有功能。可實(shí)現(xiàn)全方位通信功能，使用工具口（RS232C）通過它主機(jī)能夠與觸摸屏或電腦實(shí)現(xiàn)通信。此外，我們還可選擇帶有RS232C和RS485接口的通信卡實(shí)現(xiàn)通信功能。安裝一個(gè)雙通道的RS232C型通訊卡，主機(jī)就能通過RS232口實(shí)現(xiàn)與兩套外設(shè)的連接?？蓪?shí)現(xiàn)最大100KHZ（使2通道時(shí)為60HZ）的梯形加減速控制，能夠控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。提供梯形控制、返回原點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行等專用高級(jí)指令。脈沖輸出能實(shí)現(xiàn)四種形式：脈沖/信號(hào)輸出，CW/CWW輸出。FPΣ的控制單元最多可連接三塊FP0的擴(kuò)展單元或FP0的智能單元。對(duì)于擴(kuò)展單元的排序和類型沒有單獨(dú)要求，繼電器輸出類型和晶體管輸出類型的組合也是可行的。[7]在位置控制模塊中通過對(duì)控制字的控制可以選擇不同的加/減速模式、方向控制與工作模式。該控制模塊為操作者提供幾種加/減速模式，即線性模式、正弦模式、二次曲線模式、擺線模式與三次曲線模式。操作者可以根據(jù)不同的控制要求來選擇不同的加/減速模式。本模塊還提供幾種基本工作方式給操作者選擇，工作方式有如下幾種：（1）E point control(單一速度控制)在此控制方式中操作者可以根據(jù)需要設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加/減速時(shí)間、輸出脈沖個(gè)數(shù)五個(gè)參數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)。但此控制方式只有一種終止速度。（2）P point control(多種速度控制)在此控制方式中操作者可以根據(jù)需要設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加/減速時(shí)間、輸出脈沖個(gè)數(shù)五個(gè)參數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)。但此控制方式有多種終止速度，操作者可以根據(jù)需要編制程度以獲得多種速度。此種方式較適用于電機(jī)帶載起動(dòng)。（3）JOG Operation(JOG操作)JOG操作工作方式用戶只需設(shè)置控制字，起始速度、終止速度與加/減速時(shí)間四個(gè)參數(shù)便可控制電機(jī)動(dòng)作。電機(jī)走過的脈沖數(shù)由外部起動(dòng)開關(guān)來控制，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)電機(jī)按所設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行，當(dāng)開關(guān)斷開后電機(jī)按所設(shè)置參數(shù)的加速率從終止速度開始減速至起始速度后停止脈沖輸出。此工作方式相當(dāng)于繼電控制中的點(diǎn)動(dòng)控制。（4）JOG Positioning(JOG位置控制)JOG位置控制工作方式用戶通過設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加/減速時(shí)間、輸出脈沖個(gè)數(shù)五個(gè)參數(shù)便可控制電機(jī)動(dòng)作。此工作方式與E point control有類似之處即只能有一種終止速度，不同的是此工作方式在外部開關(guān)閉合后電機(jī)按所設(shè)置的參數(shù)加速到終止速度后并不執(zhí)行位置操作而是位置控制開始的輸入閉合后才按所設(shè)置輸出脈沖。位置控制開始屬于時(shí)間輸入，可接外部控制。通過操作者的需要控制具體時(shí)間以控制位置控制的開始。但在該工作方式中不能采用絕對(duì)控制，否則會(huì)造成錯(cuò)誤。（5）Home Return(回零點(diǎn)操作)本模塊中提供了幾種回零的模式，用戶可根據(jù)具體需要來設(shè)置控制字來選擇不同的回零方式。具體的回零方式中有零點(diǎn)尋找與回零點(diǎn)操作兩種工作方式。在此操作中只要設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加/減速時(shí)間四個(gè)參數(shù)來達(dá)到控制要求。(6）Deceleration Stop and Forced Stop(正常停止與急停)在該模塊中提供了兩種停止方式即正常停止與急停。正常停止是在停止信號(hào)發(fā)出后該模塊按加速率從終止速度減速至起始速度后停上脈沖輸出使電機(jī)停止。急停是指停止信號(hào)發(fā)出后電機(jī)沒有減速過程立即停止。停止信號(hào)由外部開關(guān)發(fā)出，為控制模塊提供停止信號(hào)。(7）Pulser Input Operation(脈沖發(fā)生器輸入操作)在該模塊接入脈沖發(fā)生器，根據(jù)用戶需要設(shè)置不同的控制字，控制模塊可以根據(jù)控制字的設(shè)置對(duì)脈沖發(fā)生器輸入的脈沖進(jìn)行不同的細(xì)分，用細(xì)分后的脈沖來控制電機(jī)。在使用該功能中用戶中只設(shè)置控制字與終止速度兩參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)該功能。此功能不能與反饋計(jì)數(shù)器同時(shí)操作。(8）Feedback Counter(反饋計(jì)數(shù)器)利用在程序中可以監(jiān)控反饋計(jì)數(shù)器中的脈沖個(gè)數(shù)與位置控制經(jīng)過值相比較，若兩值的差值在允許范圍內(nèi)說明電機(jī)運(yùn)行精度滿足控制要求，若兩差值不在允許范圍內(nèi)就應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧Ｔ摴δ芸梢詫?duì)電機(jī)的輸出進(jìn)行監(jiān)控，以滿足控制精度要求，適用于閉環(huán)控制。此項(xiàng)功能不能與脈沖發(fā)生器輸入操作同時(shí)進(jìn)行。在對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制過程中除了PLC通過編程對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制脈沖以達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。松下的位置控制模塊配合松下FP∑PLC共同使用對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制脈沖，以達(dá)到控制的目的。松下的位置控制模塊是松下PLC一種智能擴(kuò)展模塊，它與松下PLC一樣用同樣的編程語言編程，并且具有多種控制方式可供用戶選擇。在控制模塊中，可以通過修改其控制字來改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、加/減速模式、工作方式與各種極限位置的保護(hù)等等。在本次設(shè)計(jì)中有三臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)由PLC控制，有兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)由位置控制模塊控制。在選擇位置控制模塊的過程中，輸出點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，、電流35mA,內(nèi)部最大電流為220mA，控制模塊可發(fā)出的脈沖數(shù)為（2147483648～＋2147483647），速度可達(dá)1PPS～4MPPS（PPS—脈沖/秒）。