1、0基于 PLC 的四自由度电动机械手的控制设计摘 要：所介绍的电动机械手由电控机械手、 yz 轴丝杠组、手转动机构、旋转底盘等机械部分组成，在PLC 控制下，它可在行程范围内将物体从一点搬运至另一任意点，可置放于各种不同生产线或物流流水线中。关键词：机械手；PLC；步进电机中图分类号：TP241 文献标志码：A 文章编号：Design of the Control System of 4-dimension Motor-driven Mechanical Manipulator Based on PLCAbstract: Motor-driven mechanical manipulator
2、disscussed in this paper consists of power-operated mechanical manipulator,y-axis and z-axis screw lever modules ,rotatry mechanism of manipulator,rotated-plate at the bottom etc. On the control of PLC system,it can take bodies from one place to another in the range of its journey. It can be placed
3、on different manufacture assembly lines or goods circulation lines. Key Words:mechanical manipulator; PLC; step motor随着微电子技术、计算机和现代控制理论的不断完善，机械手技术也快速发展。按实现功能和驱动方式划分，机械手可以分为很多种。仅就驱动方式，就有气动（或液动）、电动和电气混合等。为实现不同的功能，有 3 个自由度的，也有 4、5 个自由度的，甚至还有 6 个自由度的。本文中，笔者仅论述基于 PLC 技术的 4 个自由度电动机械手的控制设计，它能满足绝大多数场合的搬运需要，
4、并且可用于教学实验，具有良好的示范性和教学性。1 4 轴联动简易机械手的结构及动作过程如图 1 所示，搬运一个零件，一般需要 4 个自由度确定其位置：3 个坐标确定其空间位置；1 个角度坐标确定其摆放方位。本文中确定空间位置的 3 个坐标分别是角度 A、 Y 轴坐标 Y1 和 Z 轴坐标 Z1；摆放方位（方位角）由零件长度方向的轴线与 X 轴形成的夹角 B 确定。通常情况下，4 个自由度的机械手即可满足大多数搬运需求。4 个自由度电动机械手的结构如图 2 所示。它由电磁铁控制的机械手 1、 YZ 轴丝杠组 2、手转动机构3、旋转底盘 4、物料输送带 5、PLC 6、控制面板 7、步进电机驱动器
5、 8 和 24V 电源 9 等组成。1图 1 确定物体位置的一般坐标图 2 电动机械手结构其运动控制方式为：1)由步进电机驱动可旋转角度为 90的电控机械手，由微动开关确定其起始 0点；2)由步进电机驱动丝杠组件，使机械手沿 Y 和 Z 轴移动，有 Y、 Z 轴接近开关作安全限位；3)可回旋270的旋转机构能带动机械手及丝杠组自由旋转，其电气拖动部分由步进电机、微动开关等组成；4)旋转底盘主要支撑以上 3 部分；5)电控机械手的张合由电磁铁控制，通电时机械手抓紧，断电时机械手松开。12 34675892其工作流程如下：1）当被搬运物体到达预定位置时，通过光电开关发出信号，机械手系统开始动作；3
6、 台步进电机分别控制旋转运动、横向运动和上下运动，手转动机构驱动机械手旋转一个方位角，然后电磁铁通电，机械手夹住物体。2）步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走动；转盘步进电机转动使机械手整体运动，转到物体接收处。3）步进电机再次驱动纵轴下降（或上升），到达指定位置后，电磁铁断电，机械手松开物体。4）系统回位，准备下一次动作。2 控制器件选型为使控制较为精确，对各种关键器件的类型应有所选择。2 1 步进电机及其驱动器步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的转速及停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。即给电机加一个脉
7、冲信号，电机就转过一个步距角。虽然步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能像普通的直流电机和交流电机一样在常规下使用，它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用 1（见图 4） 。选择电机一般应遵循图 3 所示的步骤 2。图3 步进电机选择步骤 图4 控制系统结构框图本文中的机械手主要用于教学，故所需精度不很高，力矩也不要太大。纵轴( Z 轴)、横轴( Y 轴)和手转动电机选用的是广州瑞宝公司的 17HD0005-18 型两相混合式步进电机，步距角为 1.8，电流 DC 0.28 A/相，最大静力矩16010 -3Nm。 旋转底座选用 23HD0020-25 型步进电机，步距角为
8、 1.8，电流 DC 0.6 A/相，最大静力矩33010 -3Nm。所选用的步进电机驱动器是 RB2304ME 型细分驱动器，驱动电压为 DC1240 V，采用双极恒流斩波方式，可减少电机噪音。输出电流从 03A/相连续可调。设有 12/8档等角恒力矩细分，最大 200 细分。输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式，减少电机发热。2.2 电磁铁系统中电磁铁的作用是利用电磁吸引力操纵机械手以完成预期动作。应根据负载的要求选择电磁铁的种类和结构形式，然后根据控制系统的电压选择电磁铁的线圈电压。电磁铁的功率应不小于制动或牵引功
9、率。本文中的机械手选用 DC 24 V 直流电磁铁。控制面板PLC 驱动器步进电机负载负载步距角静转矩矩频特性曲线 电流修正电机型号32.3 PLC的选型根据系统的设计要求，选用三菱公司生产的 FX2C-64MT 型 PLC 机。FX2C-64MT 虽然小巧,但其内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、数据处理、模拟量设定和时钟功能等，能广泛处理机械控制应用问题。它完整的通信功能保证了与个人计算机、其它 FX 系列 PLC 和 FX 可编程终端的通信。这些通信能力使 4 轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。为了节省成本，不另外选用 PLC 的专用运动控制模块，而是直接
10、利用 PLC 的高速脉冲输出功能（ PLSY 指令）。由于本系统选用晶体管输出型的 PLC，为避免晶体管不能可靠关断导致机械手动作失灵，故用 PLC 的一个输出点控制继电器，再由它控制电磁铁的得失电。3、软件编程31 输入和输出点分配表表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表名 称 代号 I/O 点 名 称 代号 I/O 点 名 称 代号 I/O 点启动手动操作连续操作旋转左位旋转右位上限行程下限行程左限行程右限行程转动左位转动右位输入位置电源指示启动指示连续操作指示手动操作指示抓手转动指示SB1SB3SB4SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7SQ8SB16HD2HD3HD4HD5HD1
11、0X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X30Y16Y17Y20Y21Y26停止回原点工件检测单步左旋单步右旋单步上升单步下降单步左移单步右移单步左转单步右转电磁铁抓工件检测指示旋转电机指示升降电机指示水平电机指示电磁铁抓指示传送带电机SB2SB5B1SB6SB7SB8SB9SB10SB11SB12SB13SB14HD6HD7HD8HD9HD11M5X13X14X15X16X17X20X21X22X23X24X25X26Y22Y23Y24Y25Y27Y37Z 轴步进电机脉冲Z 轴步进电机方向Y 轴步进电机脉冲Y 轴步进电机方向旋转步进电机脉冲旋转步进电机方向转动步进电机脉冲转动步进
12、电机方向回原点指示灯电磁铁M1 PM1 DM2 PM2 DM3 PM3 DM4 PM4 DHD1YV1Y0Y2Y1Y3Y4Y6Y5Y7Y10Y11有了输入输出点分配表，PLC 接线原理图就很容易画出，如图 5 所示。4图 5 PLC接线原理图32 操作系统操作系统包括回原点程序、手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图 6 所示。5图 6 机械手操作系统程序其原理是：将把回原点按钮按下，X14 接通，系统自动回原点，Y10 驱动指示灯亮。再将旋钮置于手动，则 X1 接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ 为一跳转指令，如果 CJ 驱动，则跳到指针 P 所指 P0 处） ，执行手动程序。之后，由
13、于 X2 处于常闭位，当执行 CJ 指令时，跳转到 P1 所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置（即 X1 常闭闭合、X2 常闭打开） ，则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。33 自动连续操作流程图如前所述，机械手操作系统程序有 3 个基本程序段。因篇幅所限，这里仅给出自动连续操作流程图。操作流程图是 PLC 程序设计的基础、关键和首要任务，只有设计出流程图，才能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，最终完成程序的设计。依据 4 轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图 7 所示。图 7 自动连续操作流程图程序开始时，输入 2 个位置的参数：工件起始点的 A1 角、Y1 、 Z1 坐标
14、和摆放方位角B1，工件要求放置点的 A2 角、Y2 、 Z2 坐标和摆放方位角 B2。由 PLC 进行计算，给出移动到位置 1 和 2 所需的 4 个步进电机的脉冲数（在脉冲频率一定时对应相应的时间） 。利用PLC 的有关辅助继电器或 PLSY 指令产生固定频率的脉冲，由若干定时器的定时长短控制脉冲数。方向信号可根据程序流程的次序而产生。在手动操作时，脉冲数由按下操作按钮的时间而决定。4、结束语4 轴联动简易机械手的各个动作和状态都由 PLC 控制，它不仅能满足机械手手动和自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，还可通过接口元器件与计算机组成PLC 工业局域网，实现网络通信与网络控制。由于使用的是步进电机驱动机械手，其速度和位置控制变得容易和准确。在教学而言，借助机械手，可以训练学生学会多种编程方法（如开始输入位置参数工件在否机械手开始动作旋转、Y、Z 轴向移动手到位 机械手抓取转动、移动到要求位置机械手放开机械手回位6既可以凭经验用梯形图编程，也可用步进顺控指令实现同样的目的），掌握多个功能指令的运用，实现复杂的功能。参考文献：1 江华生 李鸣 高素萍等 .基于PLC的步进电机控制技术J.自动化技术与应用,2006.第25卷第10期，552 王晓明电动机的单片机控制 M 北京: 北京航空航天出版社，2002
