【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采用氣缸驅(qū)動(dòng)。 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 啟動(dòng)原點(diǎn)復(fù)位料架 1 有工件機(jī)械臂快速下降機(jī)械臂慢速下降氣缸伸出機(jī)械臂快速上升工件夾緊機(jī)械臂慢速上升機(jī)械座快速前進(jìn)機(jī)械座慢速前進(jìn)機(jī)械臂快速下降到達(dá)下降 2 工位到達(dá)前進(jìn)工位料架 2 無(wú)工件機(jī)械臂慢速下降氣缸回縮工件已放下機(jī)械臂快速上升機(jī)械臂慢速上升機(jī)械座快速返回機(jī)械座慢速返回到達(dá)升降原點(diǎn)到達(dá)升降原點(diǎn)是否是否否是否是否是否是否是否是到達(dá)下降 1 工位是否選擇自動(dòng)模式 圖 22 機(jī)械手工藝流程圖 氣缸的選擇 夾緊裝置是使手爪開、閉動(dòng)作的動(dòng)力裝置。根據(jù)機(jī)械手部的夾緊力和手部張開后指尖距離，選用 FESTO 公司生產(chǎn)的兩端帶有終端可調(diào)緩沖裝置的 SNU50100PPVA基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 型雙作用氣缸。并配有夾緊裝置和行程開關(guān)。如圖 23 所示為氣缸?；钊睆?D＝φ50mm，活塞桿直徑 d＝φ 16mm，行程長(zhǎng)度 L＝ 100mm，驅(qū)動(dòng)壓力 p=6bar=6105Pa。受力分析如圖 23 所示。 圖 23 FESTO 公司的氣缸 閥門的選擇 閥門是為氣缸提供的，氣缸配備兩個(gè)一位單通閥門，為 了保證在斷氣的狀態(tài)下不影響氣缸內(nèi)部的氣壓，所以選用氣開閥，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用 SMC 公司的 VZ110 氣開閥。 行程開關(guān)的選擇 行程開關(guān)選用施耐德公司 XCRA15 型號(hào)的行程開關(guān) 接近開關(guān)的選擇 為了提高系統(tǒng)的可靠性和動(dòng)作執(zhí)行的準(zhǔn)確性，選擇 OMRON 公司的 E2EX5ME2型接近開關(guān)。它的具體參數(shù)如下： （ 1）檢測(cè)距離： 5mm （ 2）電源電壓： DC12～ 24V （ 3）消耗電流：小于 13mA （ 4）檢測(cè)物體：磁性物體 （ 5）響應(yīng)時(shí)間： ~1ms （ 6）輸出方式： NPN 輸出 接近開關(guān)接線圖如圖 24 所示。 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 DC棕黑藍(lán) 圖 24 接近開關(guān)接線圖 E2EX5ME2 型接近開關(guān)為三線的 NPN 輸出型開 關(guān)，輸出三線分別為棕線、黑線、藍(lán)線，其中在棕線和黑線之間接負(fù)載 ， 本系統(tǒng)中 棕線接在 PLC 的 24V 電源正極，藍(lán)線接在輸入端點(diǎn)上。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 直流伺服電機(jī)由于存在機(jī)械換向器和電刷，降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，加重了維護(hù)和保養(yǎng)負(fù)擔(dān)。而交流異步電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉 、無(wú)電刷磨損、維修方便，但調(diào)速問(wèn)題一直沒(méi)有得到經(jīng)濟(jì)合理的解決。近十年來(lái)，由于調(diào)頻等調(diào)速方法發(fā)展很快，使其調(diào)速范圍和成本與寬調(diào)速直流伺服電機(jī)接近，因此，交流伺服電機(jī)以其優(yōu)良的控制性能和高可靠性在數(shù)控系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 為了方便設(shè)計(jì)和維修，升降電機(jī)與水平移動(dòng)電機(jī)選用同一型號(hào)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用松下公司 MinasA4 系列全數(shù)字式交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器 。 電機(jī)型號(hào)： Panasonic MDMA152P1U（ 其 中慣量， ， 200V，增量式編碼器，標(biāo)準(zhǔn)型，鍵軸，有制動(dòng)器）。 驅(qū)動(dòng)器型號(hào)： MDDDT5540。額定轉(zhuǎn)矩： ?額T ，最大轉(zhuǎn)矩： ? ，額定轉(zhuǎn)速： 2020rpmV ?額 ，最大轉(zhuǎn)速： 3000rpmVmax ? ，電機(jī)慣量：24 k g m101 2 .3J ??電機(jī) ，脈沖數(shù)： 2500p/r ，分辨率： 10000，線數(shù)： 5。 3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，它的機(jī)能就像人的神經(jīng)中樞，是保證機(jī)械手在搬運(yùn)過(guò)程中安全 可靠實(shí)用的關(guān)鍵，也是提高搬運(yùn)效率、延長(zhǎng)機(jī)械手使用壽命、降低故障率的重要環(huán)節(jié)。作為指導(dǎo)機(jī)械手按要求合理動(dòng)作的指揮機(jī)構(gòu)，它的設(shè)計(jì)是機(jī)械手設(shè)計(jì)中的核心和基礎(chǔ)，決定了機(jī)械手的控制性能的好壞。 控制系統(tǒng) 功能 控制是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，而控制系統(tǒng)的性能則是機(jī)器人發(fā)展水平一基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 個(gè)重要標(biāo)志。 本課題研究的機(jī)械手的控制特點(diǎn) 。 （ 1）自由度少 ， 本機(jī)械手只有三個(gè)自由度，分別由兩個(gè)伺服系統(tǒng)和一個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 （ 2）任務(wù)簡(jiǎn)單 ， 本機(jī)械手的工作任務(wù)是抓緊工件，并按要求進(jìn)行平面點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，無(wú) 需進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)算、坐標(biāo)變換以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算等。 （ 3）變量少，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單。只需要簡(jiǎn)單的機(jī)械自適應(yīng)，無(wú)需使用前饋、補(bǔ)償、解耦等復(fù)雜控制技術(shù)。 本課題控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)控制功能： （ 1）伺服控制功能。該功能主要是指機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置、速度和加速度控制等。 （ 2）氣動(dòng)控制功能。該功能主要是指手部抓放的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)手部的開合和自鎖等。 （ 3）手動(dòng)控制功能。該功能主要是操作員可以對(duì)機(jī)械手進(jìn)行單步的操作控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的檢測(cè)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(jī)械手要與兩個(gè)生產(chǎn)線或其它自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交換、資源共享和協(xié)調(diào)工作等。 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要圍繞著如何更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制功能而設(shè)計(jì)和選擇。以控制器的核心計(jì)算機(jī)的分布方式來(lái)看，機(jī)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(jí)控制等三類。本機(jī)械手主要采用 集中控制 方式進(jìn)行控制。 在核心控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中主要有三種：?jiǎn)纹瑱C(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（ PLC）。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制卡和邏輯控制器等新型控制硬件。考慮到控制功能簡(jiǎn)單、控制邏輯復(fù)雜，經(jīng)過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)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，用于基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度和位置的開環(huán)控制。它與 S7200 通過(guò)擴(kuò)展的 I/O 總線通訊，帶有八個(gè)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(dòng)控制所需的脈沖串，其組態(tài)存儲(chǔ)在 S7200 的 V 存儲(chǔ)區(qū)中。 位控模塊可提供單軸開環(huán)移動(dòng)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(gè)脈沖至每秒 202000 個(gè)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(cè)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(bǔ)償； （ 5）支持絕對(duì)、相對(duì)和手動(dòng)的位控方式； （ 6）提供連續(xù)操作； （ 7）提供多達(dá) 25 組的移動(dòng)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(diǎn)尋找模式，每種模式都可對(duì)起始的尋找方向和最終的接近方向進(jìn)行選擇； （ 9）提供可拆御的現(xiàn)場(chǎng)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(jī)器人為兩軸運(yùn)動(dòng)機(jī)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(dòng)由兩臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手部的抓放由氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，各類信號(hào)由控制面板和生產(chǎn)線輸入。伺服電機(jī)配有驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)位控模塊來(lái)完成 脈沖輸入，氣缸的伸縮由一組繼電器進(jìn)行控制。各部件的運(yùn)動(dòng)極限由脈沖進(jìn)行限位，并配有極限行程開關(guān)作為極限保護(hù)裝置。機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 EM 253S7200EM 253伺服驅(qū)動(dòng)器 升降伺服電機(jī)平移伺服電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器繼電器 抓取工件氣缸控制面板限位開關(guān)料架 1 接近開關(guān)料架 2 接近開關(guān) 圖 31 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(dòng)器、繼電器、各類傳感器和控制面板等基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 組成。 主控制單元采用模塊式結(jié)構(gòu)，各功能模塊獨(dú)立封裝，安裝在機(jī)架和導(dǎo)軌上，它由 PLC 模塊、 I/O 模塊、兩個(gè)位控模塊和觸摸終端組成，各模塊之間通過(guò) PLC 專用電纜聯(lián)接，控制面板與 PLC 之 間采用專用信號(hào)電纜聯(lián)接。 操作面板的設(shè)計(jì) 根據(jù)工件生產(chǎn)和搬運(yùn)的特點(diǎn)和控制要求，機(jī)械手的控制按鈕和指示燈分布如圖32 所示。圖中的按鈕與選擇器的功能大部分由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （ 1） 急停 按鈕 在機(jī)械手工作過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)抓取不牢、搬運(yùn)不穩(wěn)、下放不到位、沖擊過(guò)大或運(yùn)動(dòng)時(shí)超過(guò)極限位置以及其它異?，F(xiàn)象而不得不停止工作時(shí)，按下急停按鈕，使所有運(yùn)動(dòng)停止，并保持原來(lái)狀態(tài)，直至重新啟動(dòng)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(jī)械手工作前，首先要打開電源 開關(guān)，給 PLC、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及照明設(shè)施供電，觸摸終端由 PLC 進(jìn)行供電，為系統(tǒng)啟動(dòng)做準(zhǔn)備。在機(jī)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(dòng)器、伺服電機(jī)及照明設(shè)施與電源切斷，保護(hù)機(jī)械手系統(tǒng)的安全。 （ 3）工作模式選擇開關(guān) 當(dāng)正常生產(chǎn)時(shí)將機(jī)械手 調(diào)到 自動(dòng)模式，機(jī)械手會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)機(jī)械手出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)報(bào)警時(shí)可以將機(jī)械手 調(diào)到 手動(dòng)模式，機(jī)械手可通過(guò)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整。 （ 4）啟動(dòng)按鈕 當(dāng)系統(tǒng)上電且機(jī)械手處于自動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手開始按照指令進(jìn)行搬運(yùn)操作。 （ 5） 試燈 /報(bào)警清除按鈕 當(dāng)系統(tǒng)安裝完成后，未與生產(chǎn)線連接前，要對(duì)系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行試驗(yàn)。此時(shí)，要按動(dòng)此按鈕對(duì)所有指示燈進(jìn)行檢測(cè)，保證與生產(chǎn)線連接后的工作安全。系統(tǒng)在工作過(guò)程中由于某種原因出現(xiàn)報(bào)警，當(dāng)故障排除后，需按此按鈕對(duì)報(bào)警進(jìn)行清除，保證系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。 （ 6）上升、下降、前進(jìn)、后退、夾緊、松開按鈕主要是在調(diào)試或排除故障以及基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 其它需要進(jìn)行單步操作時(shí)，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行手動(dòng)操作。 （ 7）復(fù)位按鈕 當(dāng)系統(tǒng)安裝完成或故障排除后，需要將機(jī)械手返回到工作原點(diǎn)時(shí)，按動(dòng)此按鈕。 復(fù)位 啟動(dòng) 下降前進(jìn) 后退 夾緊 松開停止 報(bào)警燈 夾緊指示燈試燈 / 報(bào)警消除后退指示燈前進(jìn)指示燈下降指示燈上升指示燈急停上升手動(dòng)自動(dòng)半自動(dòng)電源開關(guān)開 關(guān)操作面板松開指示燈 圖 32 操作面板示意圖 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shí)，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(gè) EM223 24 VDC 數(shù)字組合 8 輸入 /8 輸出的擴(kuò)展模塊和兩個(gè) EM253 位控模塊。 PLC 的 I/O 分配表 本控制系統(tǒng)的 PLC 的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和所需控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量加以確定 。 （ 1） PLC 的輸入端口包括自動(dòng)循環(huán)工作按鈕、點(diǎn)動(dòng)按鈕、總停按鈕等，還包括電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)繼電器輸入，外接電路電磁閥的輸入點(diǎn)，伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入等。 （ 2） PLC 的輸出端口包括運(yùn)行指示燈、繼電器、外部接口、伺服電機(jī)接口、 EM253基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 輸入等。 PLC 輸入、輸出分配表如表 1 所示 。 PLC 的 I/O 接線圖 PLC 的 I/O 接線圖如圖 33 所示 。 PLC 的輸入接口 ~ 為操作面板的輸入按鈕信號(hào)輸入點(diǎn)， ~ 為 行程開關(guān)的輸入信號(hào)輸入點(diǎn)， 、 為兩個(gè)料架上接近開關(guān)的 信號(hào)輸入點(diǎn)， 、 為伺服驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警輸入點(diǎn)， 、 為伺服電機(jī)定位完成的信號(hào)輸入點(diǎn)。 PLC 的輸出點(diǎn) ~ 為各種燈信號(hào)的輸出， ~ 輸出給外部的信號(hào)，來(lái)確定機(jī)械手當(dāng)前的狀態(tài)， ~ 輸出至伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)的電源通、伺服的報(bào)警，~ 輸出至定位模塊來(lái)控制伺服電機(jī)的運(yùn)行停止， 、 接通至氣缸控制閥控制氣缸的伸縮。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 西門子 S7226 繼電器輸出型 PLC 數(shù)字信號(hào)通過(guò)光電耦合器隔離輸入、輸出，大大提 高了抗干擾能力。本系統(tǒng)中，為了防止電源共地干擾，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都通過(guò)繼電器隔離輸出，而操作面板上信號(hào)則直接接入 PLC 的 I/O 口。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由伺服控制系統(tǒng)和 PLC 及 EM253 運(yùn)動(dòng)模塊構(gòu)成。伺服驅(qū)動(dòng)器有電源輸入接口（ X1），電機(jī)接口（ X2）， RS485 接口（ X3）， RS232 接口（ X4）， I/O 接口（ X5），旋轉(zhuǎn)編碼器接口（ X6），外置光柵接口（ X7）等 7 個(gè)接口。本系統(tǒng)中只用到了 X1， X2， X5， X6 等四個(gè)接口， X X X6 等接口線數(shù)少，而且供應(yīng)商已經(jīng)做好，直接接入電機(jī)即電