基于PLC的機(jī)械手精確定位與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇麗++孫蓉++李冰++呂淑平

摘 要：該文根據(jù)系統(tǒng)控制需求，選用西門子S7-200型PLC作為系統(tǒng)的控制器，主要從控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)和人機(jī)監(jiān)控界面三個(gè)方面加以論述。首先根據(jù)控制要求完成了機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，分為氣動(dòng)抓取單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)三個(gè)部分，同時(shí)完成了對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的其他輔助單元，如自動(dòng)上料單元、物料傳送單元、伺服轉(zhuǎn)盤單元和觸摸屏控制面板的設(shè)計(jì)；然后在硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合控制功能，按照生產(chǎn)工藝順序控制的特點(diǎn)編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從上料、運(yùn)輸?shù)綑C(jī)械手的抓取、定位等一系列功能的控制；最后利用組態(tài)王完成了控制系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，使操作人員遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場(chǎng)仍能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手 可編程序控制器 精確定位 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（a）-0008-04

工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，作為多學(xué)科融合的邊沿學(xué)科，它是當(dāng)今高新技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。該設(shè)計(jì)以機(jī)械手為主要單元，以提高機(jī)械手的精確定位能力為目的，并且加入了自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、物料的調(diào)速運(yùn)輸以及不同材料的分揀功能，同時(shí)還加入了利用觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的功能，使設(shè)計(jì)更加人性化，并提供了多種監(jiān)控方式，增加了機(jī)械手的工作能力，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)，也擴(kuò)充了系統(tǒng)的工作環(huán)境。

1 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中選擇了西門子公司的S7-200 CPU 224型可編程序控制器，它是在CPU 222基礎(chǔ)上使主機(jī)I/O點(diǎn)增加為14/10，最大可擴(kuò)展168點(diǎn)數(shù)字量和35點(diǎn)模擬量的輸入輸出，存儲(chǔ)容量也進(jìn)一步增加，還增加了一些數(shù)學(xué)指令和高速計(jì)數(shù)器的數(shù)量，具有較強(qiáng)的控制能力，可滿足要求。

1.1 機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1.1 氣動(dòng)抓取單元的設(shè)計(jì)

機(jī)械手抓取單元包括機(jī)械手的手指及手臂的設(shè)計(jì)，其作用是將運(yùn)輸線的工件進(jìn)行抓取，并做Y軸升降運(yùn)動(dòng)，將工件提升到指定位置。它與機(jī)械手定位單元緊密配合完成X-Y軸兩維定位控制。

該設(shè)計(jì)中機(jī)械手的精確定位能力主要集中在X軸方向，故作為輔助部分的機(jī)械手手指開(kāi)合以及Y軸提升采用氣壓驅(qū)動(dòng)，采用了簡(jiǎn)單的二位四通電磁換向閥，并選擇了雙活塞桿氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)以提高其穩(wěn)定性。根據(jù)需求分別配置上下氣缸，行程100 mm；配置氣動(dòng)手指進(jìn)行抓物，手指活動(dòng)范圍30 mm，氣缸換向回路圖如圖1所示。

1.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)

考慮到該設(shè)計(jì)主要理念是提高機(jī)械手的精確定位能力，故機(jī)械手的定位運(yùn)動(dòng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，以達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求。

本設(shè)計(jì)采用的電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，這主要是考慮到成本方面的問(wèn)題，但低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，所以必須克服其低速時(shí)震動(dòng)較大、高速性能差的缺欠。對(duì)此，本設(shè)計(jì)采取了細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行彌補(bǔ)，采用50分單脈沖工作狀態(tài)完全消除了電機(jī)的低頻振蕩，提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高了電機(jī)的分辨率，減小了步距角，提高了步距的均勻度。本設(shè)計(jì)

1.2 其他輔助單元的設(shè)計(jì)

1.2.1 自動(dòng)上料單元

氣動(dòng)上料單元是由兩個(gè)氣缸、兩個(gè)電磁閥和一個(gè)減壓閥（與機(jī)械手共用）組成，空氣經(jīng)過(guò)氣泵的增壓，再經(jīng)過(guò)減壓閥、一個(gè)電磁閥輸入氣缸，可以驅(qū)動(dòng)氣缸的動(dòng)作。推動(dòng)氣缸動(dòng)作的是空氣，控制空氣是否進(jìn)入氣缸的是電磁閥。當(dāng)傳感器發(fā)出指令，這個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)就傳輸?shù)紺PU，CPU發(fā)出命令信號(hào)給相應(yīng)的電磁閥，電磁閥將相應(yīng)的閥門打開(kāi)，空氣進(jìn)入，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的氣缸動(dòng)作。由于雙氣缸可以實(shí)現(xiàn)交替動(dòng)作，從而能夠達(dá)到逐一自動(dòng)上料和儲(chǔ)存任務(wù)。

此部分主要完成全系統(tǒng)的自動(dòng)上料和儲(chǔ)存任務(wù)。由于是機(jī)械手的輔助單元，因此選擇比較簡(jiǎn)單的氣動(dòng)控制。在此給系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)氣缸也可以完成上料的工作，之所以給系統(tǒng)配置兩個(gè)氣缸，是出于對(duì)連續(xù)高效工作的要求。同時(shí)加入儲(chǔ)料單元也是考慮到在實(shí)際生產(chǎn)中，出于對(duì)安全等因素的考慮在系統(tǒng)最終上料前再進(jìn)行一次檢查或處理，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1.2.2 物料傳送單元

此單元是先進(jìn)自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，它將工件從原始位置運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫淮藛卧渲?.5 kW三相交流異步電機(jī)，變頻器采用IGBT技術(shù)控制；變頻器具有磁通電流控制FCC，可以與觸摸屏組成控制系統(tǒng)；此單元包括了一條工業(yè)皮帶運(yùn)輸機(jī)，材料選用鋁型材和不銹鋼結(jié)構(gòu)；皮帶運(yùn)輸機(jī)尺寸：1100 mm×150 mm×300 mm，同步帶運(yùn)行方式；包含張緊、調(diào)偏機(jī)構(gòu)。

設(shè)計(jì)利用運(yùn)輸小車與傳感器配合進(jìn)行貨物運(yùn)輸及檢測(cè)。采用三套歐姆龍PR18-8DP型電感式接近開(kāi)關(guān)以完成對(duì)小車運(yùn)行位置的反饋。另外，采用兩套歐姆龍BR4M-TDTD遮斷型光電開(kāi)關(guān)，每套開(kāi)關(guān)有一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器。發(fā)射器和接收器是相對(duì)，軸線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)有物體從兩者之間通過(guò)時(shí)，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)，達(dá)到判斷小球是否到達(dá)的目的。設(shè)計(jì)采用的顏色傳感器型號(hào)為奧托尼克斯BR100-DDT光電傳感器，內(nèi)裝電源逆連接保護(hù)線路、輸出端過(guò)電流保護(hù)線路，可以調(diào)整對(duì)外部的敏感度。這是一種反射鏡反射型傳感器，反射鏡反射型傳感器單側(cè)安裝，需要調(diào)整反射鏡的角度、以取得最佳的反射效果，根據(jù)被檢測(cè)物上的黑白標(biāo)記來(lái)檢測(cè)。

1.2.3 伺服轉(zhuǎn)盤單元

此單元制作材料為有機(jī)玻璃和鋁材材料，采用同步輪傳動(dòng)方式，配置交流伺服系統(tǒng)，具有速度、模擬調(diào)速、位置、通訊調(diào)速等多種模式；伺服驅(qū)動(dòng)器采用先進(jìn)的DSP處理器和高速度數(shù)字邏輯芯片進(jìn)行控制；電機(jī)容量為400 W；額定轉(zhuǎn)矩為1.3 N·m；最大轉(zhuǎn)矩3.9 N·m；額定轉(zhuǎn)速為3000 RPM；電流2.5 A，最大電流7.5 A。設(shè)計(jì)在此采用歐姆龍生產(chǎn)的PR18-8DP型電感式接近開(kāi)關(guān)以完成對(duì)伺服轉(zhuǎn)盤的位置進(jìn)行檢測(cè)。endprint

1.2.4 觸摸屏控制面板

系統(tǒng)可以與觸摸屏組成監(jiān)控控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用常用的工業(yè)用觸摸屏MT506L，MT500系列觸摸屏是不斷致力于完善PLC人機(jī)界面產(chǎn)品的成果。能配合PLC發(fā)揮最佳效果，從而使生產(chǎn)線更有效地工作。32位RISC微處理器、輕觸屏幕，即使最復(fù)雜的畫面也能迅即顯示。

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制系統(tǒng)是較為常見(jiàn)的控制系統(tǒng)之一，該設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)PLC的軟件編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位功能。本設(shè)計(jì)的軟件編寫過(guò)程采用了順序控制設(shè)計(jì)法。圖2是機(jī)械手控制部分程序的流程圖。

2.1 物料顏色檢測(cè)

機(jī)械手控制系統(tǒng)首先要進(jìn)行的是物料的判斷。也就是顏色檢測(cè)，當(dāng)物料到達(dá)指定位置的同時(shí)進(jìn)行顏色判斷，此處判斷物料要同時(shí)達(dá)到幾個(gè)要求，系統(tǒng)運(yùn)變頻器停止運(yùn)行，小球到達(dá)中間位置傳感器，若為白色將寄存器V2.4置位，若為黑色則將寄存器V2.3置位。

2.2 機(jī)械手抓取物料

機(jī)械手抓取部分的運(yùn)行程序分為取料和放料兩部分。首先是取料程序的部分，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)料小車到達(dá)指定位置、機(jī)械手在指定位置并且小球到達(dá)檢測(cè)位置。此時(shí)電磁閥作用，氣缸給氣，機(jī)械手復(fù)位，手指打開(kāi)，定時(shí)器經(jīng)過(guò)3秒后機(jī)械手下降，當(dāng)機(jī)械手下限位響應(yīng)時(shí)機(jī)械手手指閉合并在1秒后機(jī)械手上升。到達(dá)機(jī)械手上限位后，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。抓取程序如圖3所示。

而機(jī)械手放料的階段在步進(jìn)電機(jī)將物料運(yùn)送到指定位置步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)，和取料時(shí)步驟正好相反，首先機(jī)械手下降，到達(dá)下限位，機(jī)械手打開(kāi)經(jīng)過(guò)延時(shí)2秒，再提起到達(dá)上限位時(shí)調(diào)用“步進(jìn)電機(jī)復(fù)位”子程序。

2.3 機(jī)械手的定位

接下來(lái)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的編程控制。之所以說(shuō)這部分程序的編寫是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要在于此處程序的編寫直接關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況，間接確定了機(jī)械手位置。定位程序如圖4所示。

2.4 裝置復(fù)位及應(yīng)急狀況的處理

由于本裝置要完成連續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)，因此程序中各寄存器的復(fù)位工作是很必要的，思路基本相同，就是讓裝置在任何狀態(tài)下都可以正常運(yùn)行。

當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)料小車可能不在規(guī)定位置，所以系統(tǒng)開(kāi)始的同時(shí)，直接要求變頻器運(yùn)行，將運(yùn)料小車移至左限位位置。

由于這個(gè)系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)為中心的精確定位系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況也就顯得至關(guān)重要，在這里設(shè)計(jì)了兩套復(fù)位方案。一套稱為軟復(fù)位方式，即系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)如果機(jī)械手不在規(guī)定位置，則步進(jìn)電機(jī)復(fù)位。另一套為硬復(fù)位，即當(dāng)同時(shí)按住啟動(dòng)和停止按鈕時(shí)步進(jìn)電機(jī)復(fù)位。

3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械手工作監(jiān)控畫面

在機(jī)械手工作監(jiān)控畫面中，本設(shè)計(jì)根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了形象的畫面。

運(yùn)料小車與實(shí)物同時(shí)運(yùn)動(dòng)，至中間時(shí)位置傳感器發(fā)生響應(yīng)。當(dāng)相應(yīng)傳感器作用時(shí)，監(jiān)控軟件有相應(yīng)的響應(yīng)，傳感器變?yōu)榫G色。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械手臂沿X-Y方向移動(dòng)，并且手指做出開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)小球在經(jīng)過(guò)顏色傳感器判定后，顯示真實(shí)顏色。伺服轉(zhuǎn)盤也可以隨實(shí)物轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)還給白球儲(chǔ)存管道加入了計(jì)數(shù)功能，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行次數(shù)有所顯示，如圖5所示。

3.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇的是MT506L型觸摸屏，為5.7寸四色LCD屏，可以對(duì)系統(tǒng)的位置、速度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)通過(guò)界面觸摸按鈕進(jìn)行啟停控制變頻等操作。

系統(tǒng)配置了3個(gè)窗格即主畫面、狀態(tài)畫面和系統(tǒng)信息，在觸摸屏幕上可以通過(guò)按鈕進(jìn)行切換。啟動(dòng)觸摸屏后首先默認(rèn)的窗口為主畫面，屏幕只提供對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單控制，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟?？刂?，并可輸入變頻器的頻率。

位于屏幕右下角的VIEW鍵，可以通過(guò)點(diǎn)擊VIEW激活功能窗口，以實(shí)現(xiàn)窗口間的切換，如此設(shè)計(jì)使畫面更加人性化，滿足不同操作者的不同需求，如圖6所示。

觸摸屏的狀態(tài)窗口可以顯示運(yùn)料小車的運(yùn)行位置，相對(duì)速度，以及變頻器的工作頻率，還可以簡(jiǎn)要的監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如圖7所示。

4 結(jié)論

該文主要研究了基于PLC控制步進(jìn)電機(jī)達(dá)到精確定位的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、其他輔助單元設(shè)計(jì)以及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中利用西門子S7-200 PLC作為控制器，采用純開(kāi)環(huán)的定位方式，采用步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手，并使用細(xì)分技術(shù)，以滾珠絲杠作為基礎(chǔ)傳動(dòng)方式，利用組態(tài)王軟件完成了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的監(jiān)控目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁安富，蔣浩.基于PLC的工業(yè)機(jī)械手控制設(shè)計(jì)與組態(tài)監(jiān)控[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011（9）：86-89.

[2] 王月芹.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2011（9）：41-43.

[3] 羅庚興，寧玉珊.氣動(dòng)安裝機(jī)械手的PLC控制[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011（9）：86-89.

[4] 李冰，鄭秀麗，孫蓉，等.可編程控制器原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[5] 范金玲.基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2011（7）：36-38.

[6] 王紅玲，胡萬(wàn)強(qiáng).基于PLC的工業(yè)機(jī)械手控制[J].液壓與氣動(dòng)，2011（8）：8-11.endprint