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PLC在机械手控制上的应用
　　摘 要：本文介绍了如何利用PLC（可编程控制器）的自动控制和逻辑运算的优点改变PLC的程序及参数，通过对物料搬运机械手装置结构与功能的介绍，重点分析了基于PLC的机械手控制系统组成，以及PLC对步进电机和直流电机进行综合控制的软、硬件实现方法。 中国论文网 /8/view-4297665.htm　　关键词：可编程控制器（PLC）；机械手；步进电机；直流电机 　　引言 　　PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，它是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活，可靠性高、环境适宜性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻等一系列优点。近年来，随着我国自动化技术的提高， PLC作为一个新兴的工业控制器，在多个方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。 　　一、机械手系统的设计 　　机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓、吸、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成。机械手移动到传送带B工件处夹紧工件，然后将工件移动到指定位置传送带A，接着放下工件，最后机械手回到初始位置（机械手的立杆最高，手臂最短，手最松）。其中底盘由一个直流电机驱动，该电机的正/反旋转控制底盘的顺时针/逆时针旋转；立杆由一个步进电机驱动，通过改变CP脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变立杆的上升/下降的速度；手臂由另一个步进电机驱动，通过改变CP脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变手臂的伸/缩速度；手由一个直流电机控制，该电机的顺时针/逆时针旋转控制手的抓紧/放松。在机械手的各个相应位置都有行程开关用于定位。 　　1. 机械手的单个工作流程 　　机械手移动到传送带B工件处——夹紧工件——将工件移动到指定位置传送带A——放下工件——机械手回到初始位置五个过程完成，机械手通过PLC来控制，可实现这五个过程全自动依次运行： 　　A） 机械手移动到工件B处：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带B）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制； 　　B） 工件移动到指定位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带A）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制； 　　C） 夹放工件：通过夹紧/放下直流电机的正转来控制，夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间（本系统设为5S），在这个时间内机械手能完全夹紧工件； 　　D） 放下工件：通过夹紧/放下直流电机的反转来控制，通过松限开关来控制； 　　E） 机械手回到初始位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到初始位置处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制。 　　2. 机械手的操作方式 　　机械手的操作方式可分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。 　　1）手动：用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制，如：当选择上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升，按下停止按钮，机械手下降；当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移，按下停止按钮，机械手右移；当选择夹紧/放松按钮时，按下起动按钮，机械手夹紧，按下停止按钮，机械手放松，该方式用于机械手系统的“回原位”操作本系统中，可用手动方式用于机械手的初始状态定位，用操作面板（图2）上的按钮（SB5，SB6，SB7，SB8，SB9，SB10）来点动执行相应的各动作； 　　2）单步：每按一次起动按钮SB3，机械手完成一步动作后，自动停止； 　　3）单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手自动完成一个周期的动作后，返回原位（如果在动作过程中，按下停止按钮SB4，机械手停在该工序上，再按下起动按钮SB3，则又从该工序继续工作，最后停在原位），本系统采用单周期方式进行机械手的工艺过程（机械手移动到传送带B——夹紧工件——将工件移动到指定位置传送带A——放下工件——机械手回到初始位置）； 　　4）连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环，在工作中，若按一下停止按钮SB4，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。 　　3. 对直流电机的正/反转的控制 　　直流电机的正、反转控制也是生产线上常见的控制要求，实现起来也是比较简单的，只是在应用中要注意以下一些方面： 　　A. 在某些应用电路中，是不允许正、反转控制继电器同时得电闭合的，在这种控制方式中，单纯的依靠软件户所来保证正、反转控制继电器不要同时得电是不可靠的，这是因为PLC执行指令的速度很快，而外部的实际继电器由线圈得电到触电闭合，以及由线圈失电到触点断开均需要延迟一段时间。在这种情况下，电路中不仅要有软件互锁，而且要由硬件互锁。具体的如图3所示。 　　B. 在实际应用中，可以采用H桥驱动直流电机，实现正、反转控制。 　　图4所示的电路结构十分简单，广泛应用于小型低转动惯量直流电动机控制电路中。因为这种电路KM1或KM2单独闭合时，直流电动机可以正向旋转或者反向旋转；当KM1和KM2均闭合或者均不闭合，这时候直流电动机相当于电枢短接，可以将直流电动机很快的制动停止，此时制动电流与直流电动机的容量以及转动惯量有直接的关系，所以不适合大容量的直流电动机和大转动惯量的控制应用中。 　　4. 对步进电机的控制 　　步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制微电机，其位移量严格正比于输入脉冲数，平均转速正比于输入脉冲的频率，同时，在其工作频率内，可以从一种运动状态稳定转换到一种运动状态。它是一种性能很良好的数字化执行元件，在数控系统的点、位控制中，可利用步进电机作为驱动电机，在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制，由PLC直接产生脉冲来控制步进电机，可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高可靠性，由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，而应该在低频下工作，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右。
　　步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，其转速必然很低，而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时，工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起，带来可一个突出的问题：定位时间太长，为了保证定位精度，脉冲信号当量不能太大，但却影响了定位速度。因此要解决好既能提高定位速度，同时又能保证定位精度的矛盾。步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种时步进电机和丝杠杆连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。步进电机位置控制系统如图5所示。 　　PLC要和步进电机配合实现运动控制，还要在PLC内部进行一系列的设定，或者是编制一定的程序设计。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。 　　二、机械手系统程序设计 　　1. 手动方式回原点 　　第一程序段应用于控制机械手的底盘的顺时针旋转运动，第二程序段应用于控制机械手的手臂的回缩运动，第三程序段应用于机械手的立杆的上升。下面以第一程序段为例进行解释： 　　第一程序段应用于机械手的底盘的顺时针旋转，即，当我们选择了“手动方式”时，按下“SB10”后，机械手的底盘开始顺时针旋转，当触及“X3”即原点限位开关或按下“停止”按钮或出现紧急情况即“X2”闭合，则机械手的底盘停止顺时针旋转。 　　2. 直流电机的运行 　　由于直流电机应用于底盘的顺时针/逆时针旋转和手的抓紧/放松，下面以底盘的顺时针旋转为例进行解释： 　　当机械手的“X10”（缩限位开关）、“X6”（上限位开关）、“X4”（目的限位开关）、“X11”（松限位开关）闭合时，底盘开始顺时针旋转，当底盘触及原点限位开关时即“X3”闭合时，底盘停止旋转。 　　3. 步进电机的可调速运行 　　由于步进电机应用于立杆的上升/下降和手臂的伸/缩，下面以立杆的可调速上升为例进行解释： 　　当杆开始上升时，速度比较快，接近上限位开关时，根据可调脉冲输出指令进行减速速度逐渐减慢。接到了输入端口，确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象。 　　杆开始上升时，我们设定[S1]为2000HZ，总输出脉冲位2000个，加减速时间为400ms，一段时间过后，使用比较指令“DCMP”，检验实际输出脉冲是否达到2000个脉冲，若已达到，则重新设定[S1]为500HZ，总输出脉冲为1000个，加减速时间为400ms，因为[S1]的大、小与决定了步进电机的快、慢，[S2]的大、小决定了步进电机运行的时间长短，以此类推，可以逐步控制杆进行减速以至达到“伸限位开关”。 　　三、系统调试 　　1. 硬件调试 　　首先在PLC处于编程状态下，检测各种按钮、开关、传感器，以确认这些信号能够正确地连接到了输入端口，确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象。 　　2. 软件调试 　　在运动控制系统中，因为涉及到运动控制的内容，所以在编程时，建议将可运动部件的运动速度不要设定得太高。在调试软件时，要充分利用特殊内部继电器和特殊数据寄存器，以及各种指令。例如R9010，R9011，CNDE指令，END指令等。调试程序是可以充分利用这些指令及继电器，使程序执行一段后停止，观察上一段程序的执行结果，这样做近似于计算机中的断点调试方法。在系统中有很多种功能，要本着先单一，后多种，先简单，后复杂的顺序来调试程序。系统中的功能可以先是实现一种，然后往上添加。比较复杂的功能控制，如运动中变换速度，可以先使系统以一定速度运动起来，运行过程正确无误后，再考虑加、减速的问题。 　　四、结束语 　　综上所述，PLC具有软件简单易学， 使用维护方便，运行稳定可靠，设计施工周期短等特点；PLC可进行模拟量控制，位置控制。PLC现已广泛用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。在机械手系统中，采用PLC控制，将传统的继电器控制逻辑变为PLC的程序控制逻辑。PLC的内部继电器可代替所有用于逻辑控制的中间继电器，使噪音下降，使用设备寿命延长，体积减小。 　　参考文献 　　[1]陈立定，苏开才 《电气控制与可编程控制器》.广州：华南理工大学出版社， 2001 　　[2]廖常初 《PLC编程及应用》.北京：机械工业出版社，2003 　　[3]吕景泉 《可编程控制器技术教程》.北京：高等教育出版社， 2001 　　[4]台方 《可编程序控制器应用教程》.北京：中国水利水电出版社， 2001
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PLC实现对简易机械手的控制设计
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1 引言&简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产的自动化控制。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，各动作由plc控制电磁阀驱动气动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图1为机械手移动物品示意图。 2 功能与动作流程设计&2.1功能设计&图1中机械手的任务是将传送带a上的物品搬运到传送带b。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关sq1、sq2、sq3、sq4、sq5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。机械手的起、停由sb1（启动）、sb2（停止）按钮控制。&传送带a、b由电动机拖动。传送带a上装有光电开关sp，检测到物品，传送带a停止。传送带b连续运转，将物品送至后工序，不需要用plc控制。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由气动元件（气缸）执行，由六个相应的电磁阀驱动，统一由plc控制。&2.2动作流程设计&机械手及传送带a顺序动作的要求是：&（1）按下起动按钮sb1时，机械手系统工作。首先上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作；&（2）左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作；&（3）下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作；&（4）启动传送带a运行，由光电开关sp检测传送带a上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；&（5）手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；&（6）右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作；&（7）手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；&（8）放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。&（9）按下停止按钮sb2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。&3 动作时序设计&根据对机械手的顺序动作要求可作出如下所示的机械手动作流程图参见图2。流程设计使用iec61131-3标准顺序功能图sfc语言描述。 4 plc硬件设计&4.1 plc的选型&根据系统的设计要求，选用omron公司生产的cpm1a-20cdr-a小型机。该机体积小，功能强、配有标准通讯接口便于计算机对plc进行监控和管理。使用cqm1-pro01手持式编程器可以方便的在生产现场进行维护和监控。该机输入点为12，输出点为8。&4.2 i/o点编号分配&根据机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的i/o点分配，如附表所示。 5 plc软件设计&5.1 编制控制状态转移图&根据流程图和i/o分配表，可以编制出状态转移图如图3所示。 5.2 程序设计及程序运行&（1）用步进指令编程。根据状态转移图及动作要领，编制的步进梯形图程序如图4所示。 其中，在状态由hr0100转移至hr0000的条件中，增加了保持继电器的常闭触点，其作用是：当机械手工作在某一中间工步时，若plc断电或停止运行，机械手停止在中间工步上。plc复电或重新投入运行后，由于保持继电器hr具有状态断电保护的功能，因此在重新起动时，其中有某一个是断开的，使得hr0000不能置位，机械手只能从停止前被置位的保持继电器的后续工步继续动作。&（2）程序运行调试。按下起动按钮sb1，输入点00000为on，则作为自锁条件的辅助继电器20000保持为on，分支指令il接通，il与ilc之间的线圈正常工作。开始常闭触点都为on，保持继电器hr0000接通，输出点01003使上升电磁阀得电，手臂上升。当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点00005闭合，保持继电器hr0001接通，hr0000复位，上升停止，同时，输出点01001使左转电磁阀得电，手臂左转。以后每当一步动作到位，限位条件满足时，状态转移，进行下一工步动作。当状态转移到hr0008为on时，输出点01006使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器tim000计时。当计时2秒到（时间可视具体情况调整），状态又转移到hr0000，程序又重新从第一工步开始循环。停止时，按下停止按钮sb2，00001断开，辅助继电器20000为off，自锁指令断开，全部输出被禁止，但各保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。当重新按起动按钮时，辅助继电器20000为on，停止前的输出被恢复，机械手继续在停止前某保持继电器为on的工步动作。&6 结束语&本设计提出了一个通用的设计方案，介绍了日本omron公司生产的cpm1a系列小型多功能plc在机械手步进控制中的设计应用。包括说明了机械手的动作原理，设计要求，程序设计方法。在实际具体应用中，还可以很方便的通过标准接口与计算机组成plc工业局域网，实现网络通信与网络实时控制。(end)
作者：未知 点击：412次
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> PLC在机械手控制中的应用
PLC在机械手控制中的应用
随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使技术快速发展，其中气动系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。 一. 四轴联动简易机械手的结构及动作过程 机械手结构如下图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。机械手结构其运动控制方式为：(1)由驱动可旋转角度为360°的气控机械手(有确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。 其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。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；转盘直流电机转动使机械手整体运动CONTROL ENGINEERING China版权所有，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。 二 控制器件选型 为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下： 1. 步进电机及其驱动器 机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，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CONTROL ENGINEERING China版权所有，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。 2. 及其驱动器 机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz ；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、 RS-232C 通信口控制工程网版权所有，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。 3. 直流电机 可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。 4. 旋转编码器 在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给，实现转盘机构的精确定位。
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