【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 控制系統(tǒng)是搬運工件機械手的重要組成部分，它的機能就像人的神經(jīng)中樞，是保證機械手在搬運過程中安全可靠實用的關(guān)鍵，也是提高搬運效率、延長機械手使用壽命、降低故障率的重要環(huán)節(jié)。作為指導(dǎo)機械手按要求合理動作的指揮機構(gòu)，它的設(shè)計是機械手設(shè)計中的核心和基礎(chǔ)，決定了機械手的控制性能的好壞。 控制系統(tǒng)功能控制是機器人技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題，而控制系統(tǒng)的性能則是機器人發(fā)展水平一個重要標志。 本課題研究的機械手的控制特點。 1．自由度少，本機械手只有三個自由度，分別由兩個伺服系統(tǒng)和一個液壓系統(tǒng)進行控制。 2．任務(wù)簡單，本機械手的工作任務(wù)是抓緊工件，并按要求進行平面點位運動，無需進行復(fù)雜的軌跡運算、坐標變換以及矩陣函數(shù)的逆運算等。 3．變量少，數(shù)學模型簡單。只需要簡單的機械自適應(yīng)，無需使用前饋、補償、解耦等復(fù)雜控制技術(shù)。 本課題控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)以下幾個控制功能： 1．伺服控制功能。該功能主要是指機械手的運動控制，實現(xiàn)機械手的位置、速度和加速度控制等。 2．液壓控制功能。該功能主要是指手部抓放的運動控制，實現(xiàn)手部的開合和自鎖等。 3．手動控制功能。該功能主要是操作員可以對機械手進行單步的操作控制，實現(xiàn)機械手的檢測和故障修復(fù)功能。 4．信息交換功能。該功能主要是指在生產(chǎn)線中機械手要與兩個生產(chǎn)線或其它自動化控制系統(tǒng)進行信息交換、資源共享和協(xié)調(diào)工作等。 控制系統(tǒng)硬件組成機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要圍繞著如何更好地實現(xiàn)機器人的控制功能而設(shè)計和選擇。以控制器的核心計算機的分布方式來看，機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)大體可分為集中控制、主從控制、分級控制等三類。本機械手主要采用集中控制方式進行控制。 在核心控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機電一體化設(shè)計中主要有三種：單片機、工業(yè)控制計算機、可編程控制器（PLC）。隨著計算機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了運動控制卡和邏輯控制器等新型控制硬件。考慮到控制功能簡單、控制邏輯復(fù)雜，經(jīng)過各方面分析比較，本課題采用西門子S7200 PLC作為控制器，并配有相應(yīng)的控制模塊，來實現(xiàn)整個機械手的控制功能。 位控模塊 現(xiàn)代可編程控制器一般都有位置控制功能，因此一般都配有位置控制模塊單元，也稱定位單元。EM253位控模塊是S7200的特殊功能模塊，能夠產(chǎn)生脈沖串，用于步進電機和伺服電機的速度和位置的開環(huán)控制。它與S7200通過擴展的I/O總線通訊，帶有八個數(shù)字輸出，作為智能模塊出現(xiàn)在I/O組態(tài)中。位控模塊能夠產(chǎn)生移動控制所需的脈沖串，其組態(tài)存儲在S7200的V存儲區(qū)中。 位控模塊可提供單軸開環(huán)移動控制所需要的功能和性能，位控模塊的特性如下： 1. 提供高速控制從每秒12個脈沖至每秒200000個脈沖； 2．支持急停S曲線或線性的加速減速功能； 3．提供可組態(tài)的測量系統(tǒng)，既可以使用工程單位（如英寸或厘米）也可以使用脈沖數(shù)； 4．提供可組態(tài)的backlash補償； 5．支持絕對、相對和手動的位控方式； 6．提供連續(xù)操作； 7．提供多達25組的移動包絡(luò)Profile，每組最多可有4種速度； 8．提供4種不同的參考點尋找模式，每種模式都可對起始的尋找方向和最終的接近方向進行選擇； 9．提供可拆御的現(xiàn)場接線端子便于安裝和拆御。 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 本文所研究的機器人為兩軸運動機械手，核心控制器由PLC及I/O模塊和位控模塊EM253組成，升降及水平移動由兩臺伺服電機驅(qū)動，手部的抓放由液壓缸來驅(qū)動，各類信號由控制面板和生產(chǎn)線輸入。伺服電機配有驅(qū)動器，通過位控模塊來完成脈沖輸入，液壓缸的伸縮由一組繼電器進行控制。各部件的運動極限由脈沖進行限位，并配有極限行程開關(guān)作為極限保護裝置。機械手的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖21所示。 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)主要由PLC主控單元、伺服驅(qū)動器、繼電器、各類傳感器和控制面板等組成。 主控制單元采用模塊式結(jié)構(gòu)，各功能模塊獨立封裝，安裝在機架和導(dǎo)軌上，它由PLC模塊、I/O模塊、兩個位控模塊和觸摸終端組成，各模塊之間通過PLC專用電纜聯(lián)接，控制面板與PLC之間采用專用信號電纜聯(lián)接。 操作面板的設(shè)計根據(jù)工件生產(chǎn)和搬運的特點和控制要求。圖中的按鈕與選擇器的功能大部分由數(shù)控系統(tǒng)來實現(xiàn)。 操作面板示意圖1．急停按鈕 在機械手工作過程中，當出現(xiàn)抓取不牢、搬運不穩(wěn)、下放不到位、沖擊過大或運動時超過極限位置以及其它異常現(xiàn)象而不得不停止工作時，按下急停按鈕，使所有運動停止，并保持原來狀態(tài)，直至重新啟動系統(tǒng)?？梢詼p少和避免事故，減少因故障引起的損失。 2．電源開關(guān) 在機械手工作前，首先要打開電源開關(guān)，給PLC、驅(qū)動器、伺服電機及照明設(shè)施供電，觸摸終端由PLC進行供電，為系統(tǒng)啟動做準備。在機械手工作完成后，將電源開關(guān)打到“關(guān)”的狀態(tài)，將PLC、驅(qū)動器、伺服電機及照明設(shè)施與電源切斷，保護機械手系統(tǒng)的安全。 3．工作模式選擇開關(guān) 當正常生產(chǎn)時將機械手調(diào)到自動模式，機械手會自動運行。當機械手出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)報警時可以將機械手調(diào)到手動模式，機械手可通過點動調(diào)整。 4．啟動按鈕 當系統(tǒng)上電且機械手處于自動模式下，按下啟動按鈕，機械手開始按照指令進行搬運操作。 5．試燈/報警清除按鈕 當系統(tǒng)安裝完成后，未與生產(chǎn)線連接前，要對系統(tǒng)的工作情況進行試驗。此時，要按動此按鈕對所有指示燈進行檢測，保證與生產(chǎn)線連接后的工作安全。系統(tǒng)在工作過程中由于某種原因出現(xiàn)報警，當故障排除后，需按此按鈕對報警進行清除，保證系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。 6．上升、下降、前進、后退、夾緊、松開按鈕主要是在調(diào)試或排除故障以及其它需要進行單步操作時，對機械手進行手動操作。 7．復(fù)位按鈕 當系統(tǒng)安裝完成或故障排除后，需要將機械手返回到工作原點時，按動此按鈕。 PLC系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)分析選擇用“CPU226 AC/DC/繼電器24輸入/16繼電器輸出”型PLC，同時，考慮到I/O端的分組情況以及隔離與接地要求，增加10%20%的裕量。另配一個EM223 24 VDC數(shù)字組合8輸入/8輸出的擴展模塊和兩個EM253位控模塊。 本控制系統(tǒng)的PLC的輸入、輸出點數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定。 1．PLC的輸入端口包括自動循環(huán)工作按鈕、點動按鈕、總停按鈕等，還包括電動機的熱保護繼電器輸入，外接電路電磁閥的輸入點，伺服驅(qū)動器的輸入等。2．PLC的輸出端口包括運行指示燈、繼電器、外部接口、伺服電機接口、EM253輸入等。PLC輸入、輸出分配表如表1所示： 表1 PLC的I/O地址分配表輸入點分配輸出點分配地址電氣元件功能說明地址電氣元件功能說明SF1啟動按鈕PG1報警燈SF2伺服報警清除PG2上升指示燈SF3原點復(fù)位PG3下降指示燈SF41自動工作方式PG4前進指示燈SF42手動工作方式PG5后退指示燈SF43半自動工作方式PG6夾緊指示燈