【文章內(nèi)容簡介】 采用氣缸驅(qū)動。 基于 PLC 的搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 6 啟動原點復位料架 1 有工件機械臂快速下降機械臂慢速下降氣缸伸出機械臂快速上升工件夾緊機械臂慢速上升機械座快速前進機械座慢速前進機械臂快速下降到達下降 2 工位到達前進工位料架 2 無工件機械臂慢速下降氣缸回縮工件已放下機械臂快速上升機械臂慢速上升機械座快速返回機械座慢速返回到達升降原點到達升降原點是否是否否是否是否是否是否是否是到達下降 1 工位是否選擇自動模式 圖 22 機械手工藝流程圖 氣缸的選擇 夾緊裝置是使手爪開、閉動作的動力裝置。根據(jù)機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 的搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 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，行程長度 L＝ 100mm，驅(qū)動壓力 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)的可靠性和動作執(zhí)行的準確性，選擇 OMRON 公司的 E2EX5ME2型接近開關(guān)。它的具體參數(shù)如下： （ 1）檢測距離： 5mm （ 2）電源電壓： DC12～ 24V （ 3）消耗電流：小于 13mA （ 4）檢測物體：磁性物體 （ 5）響應(yīng)時間： ~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 的搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 8 DC棕黑藍 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、藍線，其中在棕線和黑線之間接負載 ， 本系統(tǒng)中 棕線接在 PLC 的 24V 電源正極，藍線接在輸入端點上。 驅(qū)動電機的選擇 直流伺服電機由于存在機械換向器和電刷，降低了電機運行的可靠性，加重了維護和保養(yǎng)負擔。而交流異步電機雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉 、無電刷磨損、維修方便，但調(diào)速問題一直沒有得到經(jīng)濟合理的解決。近十年來，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)速直流伺服電機接近，因此，交流伺服電機以其優(yōu)良的控制性能和高可靠性在數(shù)控系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 為了方便設(shè)計和維修，升降電機與水平移動電機選用同一型號，根據(jù)經(jīng)驗選用松下公司 MinasA4 系列全數(shù)字式交流伺服電機和驅(qū)動器 。 電機型號： Panasonic MDMA152P1U（ 其 中慣量， ， 200V，增量式編碼器，標準型，鍵軸，有制動器）。 驅(qū)動器型號： 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 ? ，電機慣量：24 k g m101 2 .3J ??電機 ，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 控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的重要組成部分，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)展水平一基于 PLC 的搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 9 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)和一個氣動系統(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）氣動控制功能。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)硬件結(jié)構(gòu) 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?？紤]到控制功能簡單、控制邏輯復雜，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，用于基于 PLC 的搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 10 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 202000 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，手部的抓放由氣缸來驅(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，氣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 31 所示。 EM 253S7200EM 253伺服驅(qū)動器 升降伺服電機平移伺服電機伺服驅(qū)動器繼電器 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)動器、繼電器、各類傳感器和控制面板等基于 PLC 的搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 11 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，機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)來實現(xiàn)。 （ 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?，F(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)試或排除故障以及基于 PLC 的搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 12 其它需要進行單步操作時，對機械手進行手動操作。 （ 7）復位按鈕 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。 復位 啟動 下降前進 后退 夾緊 松開停止 報警燈 夾緊指示燈試燈 / 報警消除后退指示燈前進指示燈下降指示燈上升指示燈急停上升手動自動半自動電源開關(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 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。 PLC 的 I/O 分配表 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基于 PLC 的搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 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輸入點， ~ 為 行程開關(guān)的輸入信號輸入點， 、 為兩個料架上接近開關(guān)的 信號輸入點， 、 為伺服驅(qū)動器的報警輸入點， 、 為伺服電機定位完成的信號輸入點。 PLC 的輸出點 ~ 為各種燈信號的輸出， ~ 輸出給外部的信號，來確定機械手當前的狀態(tài)， ~ 輸出至伺服驅(qū)動器控制伺服電機的電源通、伺服的報警，~ 輸出至定位模塊來控制伺服電機的運行停止， 、 接通至氣缸控制閥控制氣缸的伸縮。 運動控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 西門子 S7226 繼電器輸出型 PLC 數(shù)字信號通過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)場信號都通過繼電器隔離輸出，而操作面板上信號則直接接入 PLC 的 I/O 口。 運動控制系統(tǒng)由伺服控制系統(tǒng)和 PLC 及 EM253 運動模塊構(gòu)成。伺服驅(qū)動器有電源輸入接口（ X1），電機接口（ 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 個接口。本系統(tǒng)中只用到了 X1， X2， X5， X6 等四個接口， X X X6 等接口線數(shù)少，而且供應(yīng)商已經(jīng)做好，直接接入電機即電