【文章內(nèi)容簡介】 P運動控制器20世紀(jì)90年代以來，數(shù)字信號處理（簡稱DSP)在運動控制器中得到越來越廣泛的應(yīng)用，這主要是因為它的高速運算使得很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)，而且集成度高，它利用控制器本身獨特的硬件結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)快速的硬件位置捕捉功能。DSP系統(tǒng)具有接口方便、穩(wěn)定性好、精度高、可重復(fù)性好、集成方便等優(yōu)點，目前市場上已出現(xiàn)了多種DSP型的高級運動器，這些芯片能同時控制多軸，有的己包含了運動軌跡插補運算及包含有前饋補償功能的算法，這為多軸伺服電機的控制帶來了極大的方便。但由于DSP技術(shù)更新的速度快、數(shù)學(xué)知識要求多，開發(fā)和調(diào)試工具還不完善，軌跡控制，多軸聯(lián)動參數(shù)匹配等需通過編制程序來實現(xiàn)，掌握對機械手的控制比較困難。(3)基于PLC的運動控制PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。隨著PLC的發(fā)展，出現(xiàn)了更多的功能強大的指令，這些指令本身在單操作的意義上提供了更強的計算能力，特別是運動控制指令和在網(wǎng)絡(luò)通訊方面功能更加強大，命令支持各種運動功能，實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)控制、高度的集成操作及位置環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制，能夠滿足高性能工業(yè)機器人位置和運動精度要求。雖然采用基于PC的運動控制器和基于DSP運動控制器也能夠?qū)崿F(xiàn)機械手的運動控制，但是采用PLC的控制接線簡單，只需通過運動控制指令便可實現(xiàn)對機械手的運動控制，由PLC構(gòu)成機械手控制器，硬件配置的工作量較小，無需作復(fù)雜的電路板，只需在端子之間接線。因此本設(shè)計選用PLC為機械手運動控制器。機械手是機器人的一個分支，在現(xiàn)在化生產(chǎn)中，機械手廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)流程中作為代替人類的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本設(shè)計機械手的功能要是用來完成在生產(chǎn)過程中的工件的轉(zhuǎn)移，它具有手動/自動兩種工作模式，還具有在斷電情況下回到初始位置的功能，在改變其底座使其具有移動功能時，還可以用來搬運物體。本設(shè)計機械手有三種運行狀態(tài)：自動運行、手動運行和回原位處理。在自動運行狀態(tài)時，機械手按照既定的程序依次完成下降、抓取工件、抓取工件后上升、上升到位后右轉(zhuǎn)。右轉(zhuǎn)到位后下降、下降，下降到位后放松工件，放松工件后再次上升、上升到位后左轉(zhuǎn)回到初始位置等待下一個工作周期的到來以及完成傳送帶A和B的處理。在手動運行時，按動相應(yīng)的開關(guān)完成規(guī)定的動作?；卦惶幚碇饕怯糜诋?dāng)需要系統(tǒng)手動運行或自動運行時系統(tǒng)不在原點狀態(tài)，如果在啟動系統(tǒng)時系統(tǒng)不在原點，則須先按下回原點開關(guān)使系統(tǒng)回到原點狀態(tài)。機械手在自動運行的狀態(tài)下，在初始位置，傳送帶A上的檢測元件光電開關(guān)對傳送帶上的共工件進(jìn)行檢測，當(dāng)有工件時，傳送帶A停止轉(zhuǎn)動，觸發(fā)機械手臂下降，直到下限位行程開關(guān)SQ1被觸發(fā)，下降動作停止，定時器C0計時2秒鐘，機械手上升，工件被移走，傳送帶A恢復(fù)轉(zhuǎn)動直到下一個工件的到來，機械手上升直到上限位行程開關(guān)SQ0被觸發(fā)，機械手停止上升，同時系統(tǒng)控制步進(jìn)電機，使機械手進(jìn)行右轉(zhuǎn)，直到觸發(fā)右限位行程開關(guān)SQ3，使右轉(zhuǎn)停止，執(zhí)行機械手下降動作，當(dāng)下限位行程開關(guān)SQ1被觸發(fā)時，下降到位，下降停止，定時計數(shù)器C1計時2秒，機械手將工件放于傳送帶B上，定時器C1計時時間到，機械手上升，機械手上升直到上限位行程開關(guān)SQ0被觸發(fā)，機械手停止上升，同時系統(tǒng)控制步進(jìn)電機，使機械手進(jìn)行左轉(zhuǎn)，直到觸發(fā)右限位行程開關(guān)SQ3，使左轉(zhuǎn)停止，機械手回到初始位置，完成一個工作周期。機械手停止工作直到下一個工件到來信號的觸發(fā)才會進(jìn)入下一個動作周期。： 機械手工作流程圖系統(tǒng)還設(shè)置了停止和急停的系統(tǒng)停止方式，當(dāng)按下停止按鈕時，系統(tǒng)不會馬上停止，只有在機械手回到初始位置時停止按鈕的命令才有效，這時系統(tǒng)就會停止在初始位置；當(dāng)按下急停按鈕時，機械手不管出于什么位置都會立即停止，這個按鈕主要用于遇到緊急情況時系統(tǒng)的緊急停車。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計本設(shè)計是基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計，PLC即可編程序控制器，在PLC發(fā)展之初可編程序控制器名字為可編程序邏輯控制器（Programmable Logical Controller），1980年，美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）將可編程序邏輯控制器正式命名為可編程序控制器。NEMA對可編程控制器的定義是：可編程序控制器是一種數(shù)字式電子儀器，可以存儲某些實現(xiàn)邏輯、定序、定時、計數(shù)和四則運算等特殊功能的指令、用于控制機械和生產(chǎn)過程。在可編程序邏輯控制器改名為可編程序控制器（Programmable Controller）之后，可編程序控制器可以簡稱為PC或PLC，由于個人電腦（Personal Computer）也簡稱為PC，所以大家還習(xí)慣沿用可編程序控制器的老簡稱，即PLC，并與個人電腦的簡稱做以區(qū)別。西門子公司是西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一，它的產(chǎn)品有小型可編程控制器西門子S7200，大中型PLC西門子S7300/S7400/S71200等，由于其模塊化和適用性，受到業(yè)界和市場的廣泛好評。而S7200是一種深受市場歡迎的小型模塊化PLC，該系列PLC主要由CPU模塊和豐富的擴展模塊組成。可以根據(jù)實際的需要，靈活配置，再加上其強大的指令系統(tǒng)可以近乎完美地滿足小規(guī)模系統(tǒng)的控制要求。PLC的選型中其中有一條就是必須滿足所設(shè)計系統(tǒng)的I/O需求，先將本設(shè)計系統(tǒng)的I/O需求和I/O分配圖歸納如下，以用來選擇合適的PLC。機械手控制系統(tǒng)的I/，名稱符號地址符號符號地址啟動（按鈕）SB0手動左轉(zhuǎn)（按鈕）SB8復(fù)位（按鈕）SB1手動抓緊放松（按鈕）SB9停止（按鈕）SB2上限位行程開關(guān)SQ1急停（按鈕）SB3下限位行程開關(guān)SQ2手動/自動切換（開關(guān)）SB4左限位行程開關(guān)SQ3手動下降（按鈕）SB5右限位行程開關(guān)SQ4手動上升（按鈕）SB6工件檢測光電開關(guān)SP手動右轉(zhuǎn)（按鈕）SB7名稱地址名稱地址A傳送帶步進(jìn)脈沖信號輸入端B傳送帶PLS正向脈沖輸入負(fù)端上升DIR反向脈沖輸入負(fù)端下降ENA+脫機使能復(fù)位信號抓緊放松由上表可知，本系統(tǒng)至少需要輸入口15個，輸出口9個，由此可以估算系統(tǒng)所需的內(nèi)存字?jǐn)?shù)為240B，在選擇PLC時我們可有兩個方案，一是選擇輸入輸出口比所需的口數(shù)少的CPU，比如CPU224。CPU224XP等，然后在其外圍再增加1到數(shù)個輸入輸出擴展模塊，如EM223；二是直接選擇輸入輸出口數(shù)能夠滿足需求的CPU，如CPU226。對于本系統(tǒng)根據(jù)其輸入輸出口要求，并綜合其價格和功能的使用，選擇方案二。在本設(shè)計中，我們選擇西門子S7226CN，它集成了24輸入/16輸出公40個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。26kb程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30kHZ高速計數(shù)器2路獨立的20kHZ高速脈沖輸出，具有PID控制，2個R5485通訊/編輯口，具有PPI通訊協(xié)議，MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，I/O端子排可很容易的整體拆卸，是具有較強控制能力的控制器，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)中機械手的左右旋轉(zhuǎn)選擇步進(jìn)電機作為執(zhí)行機構(gòu)，步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移(或線位移)的機電元件。對這種電機施加一個電脈沖后，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)就隨之增加，脈沖頻率高，則步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)速度就高，反之就低。分配脈沖的相序改變后，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向則隨之而變。步進(jìn)電機的運動狀態(tài)和通常勻速旋轉(zhuǎn)的電動機有一定的差別，它是步進(jìn)形式的運動，故也稱其為步進(jìn)電動機。步進(jìn)電機有其獨特的優(yōu)點，歸納起來主要有：（1）步距值不受各種干擾因素的影響。簡而言之，轉(zhuǎn)子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率，而轉(zhuǎn)子運動的總位移量取決于總的脈沖個數(shù)。（2）位移與輸入脈沖信號相對應(yīng)，步距誤差不長期積累。因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。（3）可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個結(jié)構(gòu)簡單廉價。（4）無刷，電動機本體部件少，可靠性高。（5）控制性能好。起動、停車、反轉(zhuǎn)及其它運行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運行時，任何運行方式都不會丟步。（6）停止時有自鎖能力。（7）步距角選擇范圍大，可在幾角幾分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步矩情況下，通?？梢詫崿F(xiàn)超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的運行。本系統(tǒng)選擇由PLC控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，步進(jìn)電機選用混合型的二相步進(jìn)電機2HB57，,步距角可以通過步進(jìn)驅(qū)動器上的撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，2HB57廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、激光雕刻、電腦繡花、紡織、印刷、包裝機械、標(biāo)記機、雕刻機、繞線機械、坐標(biāo)測量儀器、三維工作臺、機器人、醫(yī)療設(shè)備、陶瓷機械等行業(yè)中。：表3. 3 技術(shù)數(shù)據(jù)(Specifications)型號步距角保持轉(zhuǎn)距（Nm）額定電流(A)相電阻（歐）相電感(mH)電機重量(kg)2HB5741176。2HB57512HB57562HB5776（1）步進(jìn)驅(qū)動器選擇MB450兩項混合是步進(jìn)電機驅(qū)動器，MB450采用直流18~50V供電，適合驅(qū)動電壓24~50V，此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動很小，低速運行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪音。其主要特點如下：1）平均電流控制，兩項正弦電流驅(qū)動輸出。2）直流24~~50V供電。3）光電隔離信號輸入/輸出。4）有過壓、欠壓。過流、相間短路保護功能。5）十六檔細(xì)分和自動半流功能。6）八檔輸出相電流設(shè)置。7）具有脫機命令輸入端子。8）電機的扭轉(zhuǎn)矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)。9）高啟動轉(zhuǎn)速。10)高速力矩大。（2）控制方式的選擇步進(jìn)驅(qū)動器MB450上的撥碼開關(guān)SW4位可設(shè)置成兩種控制方式：當(dāng)設(shè)置成“OFF”時，為有半流功能。當(dāng)設(shè)置成“ON”時，為無半流功能。（3）設(shè)置輸出相電流，為了驅(qū)動不同扭矩的步進(jìn)電機，用戶可以通過驅(qū)動器面板上的撥碼開關(guān)SWSWSW3為來設(shè)置驅(qū)動器的輸出相電流（有效值），單位A。： MB450出相電流的設(shè)置輸出電流（A）SW1SW2SW3PEAKRMSONONONOFFONONONOFFONOFFOFFONONONOFFOFFONOFFONOFFOFFOFFOFFOFF（4）設(shè)置電機每轉(zhuǎn)步數(shù)驅(qū)動器MB450A可將電機每轉(zhuǎn)的