【正文】 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 參考文獻(xiàn) [1] 蔡自興 .機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略 [J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ,2020,76(4):1116. [2] 張波 .多功能上下料用機(jī)械手液壓系統(tǒng) [J].液壓與氣動(dòng) ,2020,8(2):3132. [3] 李允文 .工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1996. [4] 張建民 .工業(yè)機(jī)械人 [M].北京 :北京理工大學(xué)出版社 ,1992 [5] 史國(guó)生 .PLC 在機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用 [J].中國(guó)工控信息網(wǎng) , [6] 王永華 .現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù) [M].北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 ,2020. [7] 朱春波 .PLC 控制的氣動(dòng)上下料機(jī)械手 [J].液壓氣動(dòng)與密封 ,1999,2124. [8] 王勤 .計(jì) 算機(jī)控制技術(shù) [M].京 :東南大學(xué)出版社 ,2020. [9] 張萬(wàn)忠 .可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例 (西門子 S7200 系列 )[M].北京 :中國(guó)電力出版社 ,2020. [10] 劉軒 ,王麗偉 .機(jī)械手的 PLC 控制 [J].機(jī)床電器 ,2020,3449. [11] 張鐵異 ,何國(guó)金 ,黃振峰 .基于 PLC 控制的混合型氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].液壓與氣動(dòng) , 2020, 18(9):6— 8. [12] 郭艷萍 .基于 PLC 的工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng) [J].儀表技術(shù)與傳感器 ,2020,9(9):3132. 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[15] Durstewitz,M 。 同時(shí)也衷心感謝在大學(xué)期間教過(guò)我的各科老師，是你們的悉心教導(dǎo)才有我學(xué)業(yè)的進(jìn)步和順利的畢業(yè)。導(dǎo)師廣博的見(jiàn)識(shí)、敏捷的思維、寬待他人的品格和悉心指導(dǎo)的責(zé)任心給我諸多啟迪，并將不斷地鞭策和激勵(lì)我在今后的道路上努力拼搏。首先對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，深入研究了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，繪制了硬件結(jié)構(gòu)圖；然后根據(jù)操作需要，設(shè)計(jì)了控制面板，確定了接線方式并研究了運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方法；最后對(duì) PLC 及其功能模塊進(jìn)行了選型，并對(duì) I/O 接口進(jìn)行了配置和對(duì) PLC 程序、位控模塊程序等進(jìn)行了編制。 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，首先對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)分析；然后對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了方案研究和細(xì)致的分析，完成了主要驅(qū)動(dòng)部件的選型。通過(guò)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)線上有無(wú)工件的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)操作功能，滿足了降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高生產(chǎn) 效率的要求。當(dāng)系統(tǒng)上電后，選擇自動(dòng)工作方式，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)會(huì)按照自動(dòng)基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 方式工作，機(jī)械手首先沿正方向?qū)ふ以c(diǎn)，并檢測(cè)料架 1 上是否有工件，當(dāng)料架 1上有工件后伺服 1 反轉(zhuǎn)機(jī)械手下降到 工位 2，抓取工件并等待 2 秒，伺服 1 正轉(zhuǎn)回升降原點(diǎn)，伺服 2 再反轉(zhuǎn)到達(dá)前進(jìn)工位后伺服 1 在反轉(zhuǎn)下降到工位 1，放下工件等待 2秒機(jī)械手回原點(diǎn)，在循環(huán)操作，知道停機(jī)。半自動(dòng)操作在一般使用中比較少用，主要是 在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)才會(huì)使用，系統(tǒng)半自動(dòng)程序框圖如圖47 所示 。 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 前進(jìn)后退夾緊松開(kāi)下降上升伺服1正轉(zhuǎn)伺服1反轉(zhuǎn)伺服2正轉(zhuǎn)伺服2反轉(zhuǎn)閥1通閥2通復(fù)位復(fù)位子程序手動(dòng)子程序入口 圖 45 手動(dòng) 運(yùn)行 子程序框圖 機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)時(shí)靠伺 服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)靠伺服定位模塊 EM253 控制，在實(shí)現(xiàn)機(jī)械手升降進(jìn)退時(shí)調(diào)用定位模塊 EM253 的運(yùn)行子程序，實(shí)現(xiàn)伺服已固定的速度行駛固定的距離。此時(shí)，除急停信號(hào)外，其他輸入信號(hào)無(wú)效。 手 動(dòng) 運(yùn)行 子程序 設(shè)計(jì) 手動(dòng)子程序用于控制機(jī)械手與生產(chǎn)線斷開(kāi)通信后的單步動(dòng)作，通過(guò)控制面板上的選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行機(jī)械手工作方式選擇，通過(guò)控制面板上的按鈕進(jìn)行手動(dòng)操作。 EM253 回零子程序梯形圖如圖 44 所示： 圖 44 伺服電機(jī)運(yùn)行 回零子程序梯形圖 報(bào)警子程序設(shè)計(jì) 報(bào)警子程序則用來(lái)完成故障顯示和初步診斷功能，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)超出上下左右極限、在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械手松開(kāi)則自動(dòng)調(diào)用此程序。復(fù)位子程序框圖如圖 43 所示 。初始化子程序框圖如圖 42 所示 。 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 工作模式選擇系統(tǒng)初始化定位模塊使能自動(dòng)子程序 半自動(dòng)子程序報(bào)警子程序手動(dòng)子程序手動(dòng) 半自動(dòng)自動(dòng)系統(tǒng)上電 圖 41 主程序框圖 初始化子程序設(shè)計(jì) 初始化子程序用來(lái)完成系統(tǒng) 參數(shù)的初始化工作， PLC 首次上電時(shí)執(zhí)行初始化子程序。初次上電時(shí)，調(diào)用初始化子程序，完成初始化工作。根據(jù)要求設(shè)計(jì)出搬運(yùn)機(jī)械手的主程序框圖，如圖 41 所示 。出于可靠性考慮對(duì)于有安全要求的地方使用外接繼電器和 開(kāi)關(guān)，其余用 PLC 內(nèi)部繼電器。處于此方式，且各部位處于原位，各電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，按下控制面板上的啟動(dòng)按鈕，可進(jìn)入單循環(huán)操作，此時(shí)，除急停信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)外，其他輸入信號(hào)無(wú)效，一個(gè)工作循環(huán)完成后，自動(dòng)退出單循環(huán)狀態(tài)。 半自動(dòng)工作方式應(yīng)用較少，主要用于 故障整修時(shí)為了與主控制臺(tái)分離，而還要通過(guò)自動(dòng)來(lái)完成試操作的場(chǎng)合，所以半自動(dòng)方式也是不可缺少的。處于手動(dòng)狀態(tài)，且各部位處于原位，各電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，按下控制面板上的上升、下降、前進(jìn)、后退、夾緊、松開(kāi)按鈕時(shí)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，再次按下相應(yīng)按鈕則停止動(dòng)作。 手動(dòng)工作方式主要是用于總控制臺(tái)出現(xiàn)故障、調(diào)試或其它需要手動(dòng)操作。 自動(dòng)工作方式是機(jī)械手接收生產(chǎn)線指令，通過(guò)總控制臺(tái) 的控制進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 X 1 ：電源輸入接口 X 2 ：電機(jī)接口 X 5：I /O接口 X 6 ：編碼器接口 X 3 ：RS 485 通訊口 X 7 ：外置光柵接口 X 4 ：RS 232 通訊口伺服驅(qū)動(dòng)器L 0L 1L 2QA 0 X 1 ：電源輸入接口 X 2 ：電機(jī)接口 X 5：I /O接口 X 6 ：編碼器接口 X 3 ：RS 485 通訊口 X 7 ：外置光柵接口 X 4 ：RS 232 通訊口伺服驅(qū)動(dòng)器M 1 M 2~ 380 V~ 220 VCP U 226 EM 223 EM 253 EM 253L N L M L ML MQA 1QA 224 VDC20 VACQA 3圖 37 控制系統(tǒng)電源電路 圖 基于 PLC 的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)工作方式 該機(jī)械手的工作方式有四種，分別為找原點(diǎn)、自動(dòng)、手動(dòng)和半自動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)器中提供了兩組脈沖指令輸入接口，一種為差分電路專用的脈沖串接口，一種為普通的脈沖串指令接口，為提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，利用伺服?qū)動(dòng)器的差分電路專用脈沖串接口從 EM253 接出脈沖信號(hào)。 垂直運(yùn)動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)器與 EM253 接線圖如圖 36 所示，機(jī)械手的升降 /平移 正負(fù)極限開(kāi)關(guān)分別接到相應(yīng) EM253 的 LM+、 LM接口處和伺服驅(qū)動(dòng)器的 CCWL、 CWL接口，原點(diǎn) 開(kāi)關(guān)接到相應(yīng) EM253 的 RPS（參考點(diǎn)開(kāi)關(guān)） 處。伺服驅(qū)動(dòng)器 X5 的 I/O 接口如圖 34 所示。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)即電源相應(yīng)接口中即可。 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。 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。 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(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)輸入點(diǎn)， 、 為兩個(gè)料架上接近開(kāi)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 輸入、輸出分配表如表 1 所示 。 （ 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。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。 （ 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。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。 （ 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)。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。在機(jī)械手工作完成后，將電源開(kāi)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?？梢詼p少和避免事故，減少因故障引起的損失。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)。 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。機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。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。 位控模塊可提供單軸開(kāi)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。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 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。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。本機(jī)械手主要采用 集中控制 方式進(jìn)行控制。 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。 （ 4）信息交換功能。 （ 3）手動(dòng)控制功能。 （ 2）氣動(dòng)控制功能。 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。 （ 3）變量少，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單。 （ 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。 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。 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)。 驅(qū)動(dòng)器型號(hào)： MDDDT5540。 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 。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。 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(kāi)關(guān)接線圖 E2EX