PLC机械手基本控制设计方案

1.０引言

本文以某物流掌握中的机械手掌握为例,分析了PLＣ与步进驱动装置的掌握方法，本系统涉及的主要硬件是S7-2０0ＰLＣ和SH—２Ｈ0５7步进驱动器。（1）S7—200PLC系列是西门子公司的可编程掌握器,这一系列产品可以满意多种多样的自动化掌握要求,由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令,使得S７-200ＰLC可以满意小规模的掌握要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。1台S7-２０0ＰＬＣ包括一个单独的Ｓ7－2０0CPU,或者带有各种各样的可选扩展模块。S７-2０0CＰU模块包括一个中央处理单元（CPＵ）、电源以及数字量Ｉ/O点,这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中.ﻫlCPU负责执行程序和存储数据,以便对工业自动化掌握任务或过程进行掌握；ﻫl输入和输出是系统的掌握点:输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则掌握泵、电机、以及控也过程中的其他设备；

l电源向ＣPU及其所连接的任何设备供应电力;ﻫl通讯端口允许将S7-2００ＣPU同编程器或其他一些设备连起来;ﻫl状态信号灯显示了CPＵ的工作模式（运行或停止），本机I／O的当前状态，以及检查出来的系统错误；ﻫｌ通过扩展模块可供应其通讯性能;ﻫl通过扩展模块可增加ＣPＵ的I/Ｏ点数(CPＵ221不扩展）；

l一些ＣPU有内置的实时时钟,或添加实时时钟卡;ﻫlEEPＲＯＭ卡可以存储CＰＵ程序，也可以将一个ＣPＵ中的程序送到另一个ＣPU中；

ｌ通过可选的插入式电池盒可延长ＲAM中的数据存储时间；ﻫｌ最大I／O配置.

(

２）SH-2H057驱动器输入信号共有三路，他们是：步进脉冲信号ＣＰ、方向电平信号ＤIR、脱机电平信号FREE.他们在驱动器内部分别通过2７0Ω的限流电阻接入光耦的负输入端，且电路形式完全相同，三路光耦的正输入端为ＯＰTＯ端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式,所以OPTO端需接外部系统的VＣC端，如果VCC是＋5伏，可直接接入;否则需在外部另加限流电阻,保证给驱动器内部光耦供应8—１5ｍA的驱动电流.ﻫl步进脉冲信号ＣPﻫ

步进脉冲信号CＰ用于掌握步进电机的位置和速度，也就是说:驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步角度，ＣP脉冲的频率转变则同时是步进电机的速率转变，掌握CP脉冲的个数,则可以使步进电机精确定位。这样就可以很便利的达到步进电机调速和定位的目的.本驱动器的CP信号为低电平有效,要求CP信号的驱动电流为8-1５mA，对CP脉冲宽度也有肯定要求,一般不小于5μs。

l方向电平信号DIＲﻫ

方向电平信号ＤIＲ用于掌握步进电机的旋转方向。此端为高电平常，电机为一个转向;次端为低电平常，电机为另一个转向.电机换向必须在电机停止后再进行，并且换向信号肯定要在前一个方向的最后一个ＣP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。ﻫｌ脱机电平信号FRＥE当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态(未施加CP脉冲时)或运行状态(施加ＣP脉冲)，但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这时可以用到此信号，此信号低电平有效,电机处于自由无力矩状态；当此信号为高电平或悬空不接时,取消脱机状态。l步进电机简介ﻫSH—2H0５７型驱动器用于驱动二相或四相混合式步进电机（亦称感应子式),此驱动器一般驱动60号机座以下电机。电机的出线方式不同,与驱动器的连接也不同.本系统使用的电机为二相四根线电机，可以直接和驱动器相连。见图１的机械手电机驱动模块原理图。2。０系统工作工程ﻫ

本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成，其中底盘由一个步进电机驱动，可顺逆时针旋转；立杆由一个步进电机驱动，可上下移动；手臂由一个步进电机驱动，可前后伸缩；手由气泵掌握,可抓紧和放松.在相应位置都有位置检测信号用于定位.参见图1.(1）出货过程ﻫ

从复位位置启动，依据要求到相应出货台(１，2，3号货台),此时底盘转动到要求位置,立柱下降，手臂伸出，定位后手抓货物，立柱上升，同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞）,然后到相应出货台(左,或右出货台),立柱下降，手臂伸出,手打开，把货物放在相应出货台上。ﻫ（２）进货过程ﻫ

从复位位置启动，依据要求到相应出货台(左,或右出货台），此时底盘转动到要求位置,立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物，立柱上升，同时手臂回收（以免运行中与其它设备相撞)，然后到相应出货台（１,2，3号货台）,立柱下降，手臂伸出，手打开,把货物放在相应出货台上。３.0系统设计思想ﻫ

步进掌握电路设计思想,ＰＬC继电器式输出模块工作速度较低,故采纳高频脉冲方波发生器，给出步进脉冲，其振荡频率按步进电机速度设置，步进量的掌握采纳位置检测，依据位置检测信号用ＰLC的输出点切断进给电机,实现步进电机的停车,其程序流程图如图２所示.ﻫ

在整个机械手运行掌握过程中，采纳限位开关以及面板操作开关以及系统规律开关作为输入点，整个系统中底盘有5个限位开关，分别作为５个位置的定位输入点，立柱有4个限位开关,分别为1个复位开关、一号位限位输入量、上限位、下限位。手臂有3个限位开关：手臂复位限位数入点、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位开关，为抓手复位输入点。一共1３个限位开关完成全部的掌握输入.各限位开关分布情况见图１，

由于在整个掌握过程中全部是通过掌握步进电机驱动模块再驱动步进电机执行。这里对用集成脉冲输出触发步进电机驱动器原理进行说明。S7—2００PLC(CPＵ２２6)的Q0。0和Ｑ0。1分别对升/降步进电机、前/后步进电机发送脉冲;CPU2２6的Ｑ０．2对转盘步进电机发送脉冲。而步进电机的正/反转则分别是CＰＵ226的Q0．4和Ｑ0。5分别对升/降步进电机、前/后步进电机实行掌握;ＣＰU22６的Ｑ０.6和Q0.7分别对转盘步进电机正反、抓手气泵开关实行掌握。ﻫ

机械手PLC程序的设计编写采纳了ＳTＥP７—Ｍｉcｒo/ＷIN32软件的数据表(ＳTＬ)的形式。程序设计修改便利，设计完成可联机调试,没有问题再把步进电机接上.ﻫ

上位机监控软件采纳北京亚控的组态王软件，通过变量映射实现组态软件的变量与ＰLC的寄存器的动态连接,从而实现了上位机对ＰＬC的监控。4.0结束语ﻫ

本机械手掌握系统结构紧凑,动作牢靠，使用便利，已较好地应用于我校的科研教学中.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、硬件技术的迅猛进展和现代掌握理论的不断完善,使机械手技术快速进展,其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修便利和系统平安牢靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门,在工业进展中占有重要地位。本文叙述的气动机械手有气控机械手、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。

ﻫ一、四轴联动简易机械手的结构及动作过程ﻫﻫ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。ﻫ

其运动掌握方式为:（１）由伺服电机驱动可旋转角度为3６0°的气控机械手（有光电传感器确定起始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掌握（充气时机械手抓紧，放气时机械手松开).ﻫﻫ其工作过程为：当货物到达时,机械手系统开头动作;步进电机掌握开头向下运动,同时另一路步进电机掌握横轴开头向前运动；伺服电机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。

ﻫ步进电机驱动纵轴上升,另一个步进电机驱动横轴开头向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，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;系统回位筹备下一次动作。

ﻫ二、掌握器件选型ﻫﻫ为达到精确掌握的目的，依据市场情况,对各种关键器件选型如下：ﻫﻫ1。步进电机及其驱动器ﻫﻫ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，该驱动器采纳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，供应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，用户可依据各自情况在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以协作不同的电机使用。本驱动器可供应整步、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。

ﻫ2．伺服电机及其驱动器ﻫ

机械手的旋转动作采纳松下伺服电机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，轴采纳键槽连接。该电机采纳松下公司独特算法，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、掌握功能、全闭环掌握功能，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,构成全闭环掌握，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ﻫﻫ益调整两种自动增益调整方式，还配有ＲＳ-４8５、RS－232Ｃ通信口，使上位掌握器可同时掌握多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSＤA５A３A1A，适用于小惯量电动机。ﻫﻫ3．直流电机ﻫﻫ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，其采纳２4～４8Ｖ直流供电,有起停及转向掌握、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.ﻫﻫ4。旋转编码器ﻫﻫ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PLC,实现转盘机构的精确定位。ﻫﻫ5.PLC的选型ﻫﻫ依据系统的设计要求,选用OMＲON公司生产的CPM２A小型机.ＣPＭ２A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲掌握、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPＭ2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械掌握应用问题,所以它是在设备内用作内装掌握单元的抱负产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRONPC和ＯＭROＮ可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能便利的融合到工业掌握系统中。ﻫﻫ三、软件编程ﻫ

1.软件流程图ﻫﻫ流程图是ＰLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺