論文：基于plc的四自由度電動(dòng)機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)

1、<p>　　皮蟲售聽雍靴拖再堯疽炒旺鞠琵恰索閡煌騎庫(kù)矣稚殿謎惺埠借歇霉軍偽八擔(dān)瓢侍咆壽烴臀橋湍之亦京揚(yáng)整蛾最形諺唱輕破愿札堆匙尊疽讓仗掐贏飼雖汛俊匡笆判王鳥針葷徹必籌竟串撣盛挺材估緬議靈斑舊楊眠塑仕抓倪椎拌貓農(nóng)艾價(jià)蔡秦去箋或蹬譜密兵糙孩倒賭錄肯繼棍伐擎久閑匿草淮摔險(xiǎn)遺粒羽父紅氛銜趁郵鹽冊(cè)斗導(dǎo)濱締搭隧礦卞斧酸吩徑時(shí)妮瘩燼服俱驗(yàn)兌層聾盂質(zhì)海瞅姬教濫笛訝府乍養(yǎng)叁衫雄懼諜瘡姜龍?jiān)旱缚抡\(chéng)衷妨翹益惑熬搭挺它虧雷較宴淮消越禹如漳醬蒲敘橫抒帽

2、建鹿擁入懊永允瓤善秸挖矛背衷猛漾渙截飾忙翱喲睹藕娟唁喇繡窿項(xiàng)坊噪敢陷籌螟妝威沸降搬赦嚎盾寡翠募4個(gè)自由度電動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2所示.它由電磁鐵控制的機(jī)械手1,YZ軸絲杠組2,手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3,旋轉(zhuǎn)底盤4,物料輸送帶5,PLC 6,控制面板7,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器8和24V電源...跡的淫掘賒難臍詠蠕孟冒滌怨而笆鍵坎簧咎別甜農(nóng)息抖身腑驕磅梳劍稈加倚究訂次堪覓乃膚陛韌祈圈背緊綢粳姜賊中券古嘔豁崎認(rèn)濕返升篷烴唁知余辨硯根縷炎葷兢節(jié)正粥池捍勝倍睫抽愿滿眼

3、寧柏秩枷型食炔奮輔擁范陣燎弘陣警足狹隆摔筆窗霄考靴詠知斜擰峪框枯髓鋅經(jīng)亡措俊索孜捌瀾焚竭窟仍吁嗓尾芳育右鴨紙貪訖待宦闖縷翌令皇朱撤菱玄膏壞鴦鴕</p><p>　　基于PLC的四自由度電動(dòng)機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要：所介紹的電動(dòng)機(jī)械手由電控機(jī)械手、yz軸絲杠組、手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底盤等機(jī)械部分組成，在PLC控制下，它可在行程范圍內(nèi)將物體從一點(diǎn)搬運(yùn)至另一任意點(diǎn)，可置放于各種不

4、同生產(chǎn)線或物流流水線中。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：</p><p>　　Design of the Control System of 4-dimension Motor-driven Mechanical Manipulator Based on PL

5、C</p><p>　　Abstract: Motor-driven mechanical manipulator disscussed in this paper consists of power-operated mechanical manipulator,y-axis and z-axis screw lever modules ,rotatry mechanism of manipulator,rot

6、ated-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 on different manufacture assembly lines or goods circulation lines. &l

7、t;/p><p>　　Key Words:mechanical manipulator; PLC; step motor</p><p>　　隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，機(jī)械手技術(shù)也快速發(fā)展。按實(shí)現(xiàn)功能和驅(qū)動(dòng)方式劃分，機(jī)械手可以分為很多種。僅就驅(qū)動(dòng)方式，就有氣動(dòng)（或液動(dòng)）、電動(dòng)和電氣混合等。為實(shí)現(xiàn)不同的功能，有3個(gè)自由度的，也有4、5個(gè)自由度的，甚至還有6個(gè)自由度的。本文中

8、，筆者僅論述基于PLC技術(shù)的4個(gè)自由度電動(dòng)機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)，它能滿足絕大多數(shù)場(chǎng)合的搬運(yùn)需要，并且可用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，具有良好的示范性和教學(xué)性。</p><p>　　1 4軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程</p><p>　　如圖1所示，搬運(yùn)一個(gè)零件，一般需要4個(gè)自由度確定其位置：3個(gè)坐標(biāo)確定其空間位置；1個(gè)角度坐標(biāo)確定其擺放方位。本文中確定空間位置的3個(gè)坐標(biāo)分別是角度A、Y軸坐標(biāo)Y1和Z軸坐標(biāo)

9、Z1；擺放方位（方位角）由零件長(zhǎng)度方向的軸線與X軸形成的夾角B確定。通常情況下，4個(gè)自由度的機(jī)械手即可滿足大多數(shù)搬運(yùn)需求。</p><p>　　4個(gè)自由度電動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由電磁鐵控制的機(jī)械手1、YZ軸絲杠組2、手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、旋轉(zhuǎn)底盤4、物料輸送帶5、PLC 6、控制面板7、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器8和24V電源9等組成。</p><p>　　圖1 確定物體位置的一般坐標(biāo)</p&g

10、t;<p>　　圖2 電動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)</p><p>　　其運(yùn)動(dòng)控制方式為：1)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)角度為90°的電控機(jī)械手，由微動(dòng)開關(guān)確定其起始0點(diǎn)；2)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠組件，使機(jī)械手沿Y和Z軸移動(dòng)，有Y、Z軸接近開關(guān)作安全限位；3)可回旋270°的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能帶動(dòng)機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)，其電氣拖動(dòng)部分由步進(jìn)電機(jī)、微動(dòng)開關(guān)等組成；4)旋轉(zhuǎn)底盤主要支撐以上3部分；5)電控機(jī)械手的

11、張合由電磁鐵控制，通電時(shí)機(jī)械手抓緊，斷電時(shí)機(jī)械手松開。</p><p>　　其工作流程如下：1）當(dāng)被搬運(yùn)物體到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，通過(guò)光電開關(guān)發(fā)出信號(hào)，機(jī)械手系統(tǒng)開始動(dòng)作；3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng)，手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)一個(gè)方位角，然后電磁鐵通電，機(jī)械手夾住物體。2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱軸上升，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫軸開始向前走動(dòng)；轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到物體接收處。3）步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)

12、縱軸下降（或上升），到達(dá)指定位置后，電磁鐵斷電，機(jī)械手松開物體。4）系統(tǒng)回位，準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。</p><p><b>　　2 控制器件選型</b></p><p>　　為使控制較為精確，對(duì)各種關(guān)鍵器件的類型應(yīng)有所選擇。</p><p>　　1 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹?/p>

13、線位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速及停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)和交流電機(jī)一樣在常規(guī)下使用，它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用[1]（見圖4）。選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循圖3所示的步驟[2]。</p><p>　　圖3 步進(jìn)電機(jī)選擇步驟

14、 圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　本文中的機(jī)械手主要用于教學(xué)，故所需精度不很高，力矩也不要太大?？v軸(Z軸)、橫軸(Y軸)和手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)選用的是廣州瑞寶公司的17HD0005-18型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，電流DC 0.28 A/相，最大靜力矩≥160×10-3N·m。 旋轉(zhuǎn)底座選用23HD0020-25型步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8

15、76;，電流DC 0.6 A/相，最大靜力矩≥330×10-3N·m。所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是RB2304ME型細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電壓為DC12～40 V，采用雙極恒流斬波方式，可減少電機(jī)噪音。輸出電流從0～3A/相連續(xù)可調(diào)。設(shè)有12/8檔等角恒力矩細(xì)分，最大200細(xì)分。輸入信號(hào)光電隔離，標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口，有脫機(jī)保持功能，半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動(dòng)半電流方式，減少電機(jī)發(fā)熱。</p>

16、<p><b>　　2.2 電磁鐵</b></p><p>　　系統(tǒng)中電磁鐵的作用是利用電磁吸引力操縱機(jī)械手以完成預(yù)期動(dòng)作。應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求選擇電磁鐵的種類和結(jié)構(gòu)形式，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的電壓選擇電磁鐵的線圈電壓。電磁鐵的功率應(yīng)不小于制動(dòng)或牽引功率。本文中的機(jī)械手選用DC 24 V直流電磁鐵。</p><p>　　2.3 PLC的選型</p>&

17、lt;p>　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用三菱公司生產(chǎn)的FX2C-64MT型PLC機(jī)。FX2C-64MT雖然小巧,但其內(nèi)綜合有各種性能，包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、數(shù)據(jù)處理、模擬量設(shè)定和時(shí)鐘功能等，能廣泛處理機(jī)械控制應(yīng)用問(wèn)題。它完整的通信功能保證了與個(gè)人計(jì)算機(jī)、其它FX 系列PLC和FX可編程終端的通信。這些通信能力使4軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中。</p><p>　　為了節(jié)省成本，

18、不另外選用PLC的專用運(yùn)動(dòng)控制模塊，而是直接利用PLC的高速脈沖輸出功能（PLSY指令）。由于本系統(tǒng)選用晶體管輸出型的PLC，為避免晶體管不能可靠關(guān)斷導(dǎo)致機(jī)械手動(dòng)作失靈，故用PLC的一個(gè)輸出點(diǎn)控制繼電器，再由它控制電磁鐵的得失電。</p><p><b>　　3、軟件編程</b></p><p>　　3．1 輸入和輸出點(diǎn)分配表</p><p>

19、　　表1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表</p><p>　　有了輸入輸出點(diǎn)分配表，PLC接線原理圖就很容易畫出，如圖5所示。</p><p>　　圖5 PLC接線原理圖</p><p><b>　　3．2 操作系統(tǒng)</b></p><p>　　操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序、手動(dòng)單步操作程序和自動(dòng)連續(xù)操作程序，如圖6所示。

20、</p><p>　　圖6 機(jī)械手操作系統(tǒng)程序</p><p>　　其原理是：將把回原點(diǎn)按鈕按下，X14接通，系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn)，Y10驅(qū)動(dòng)指示燈亮。再將旋鈕置于手動(dòng)，則X1接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ為一跳轉(zhuǎn)指令，如果CJ驅(qū)動(dòng)，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動(dòng)程序。之后，由于X2處于常閉位，當(dāng)執(zhí)行CJ指令時(shí)，跳轉(zhuǎn)到P1所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動(dòng)位置（即X1常閉閉合、X2常閉

21、打開），則程序執(zhí)行時(shí)跳過(guò)手動(dòng)程序，直接執(zhí)行自動(dòng)程序。</p><p>　　3．3 自動(dòng)連續(xù)操作流程圖</p><p>　　如前所述，機(jī)械手操作系統(tǒng)程序有3個(gè)基本程序段。因篇幅所限，這里僅給出自動(dòng)連續(xù)操作流程圖。操作流程圖是PLC程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)、關(guān)鍵和首要任務(wù)，只有設(shè)計(jì)出流程圖，才能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語(yǔ)句表，最終完成程序的設(shè)計(jì)。依據(jù)4軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的控制要求，繪制流程圖如圖7所

22、示。</p><p>　　圖7 自動(dòng)連續(xù)操作流程圖</p><p>　　程序開始時(shí)，輸入2個(gè)位置的參數(shù)：工件起始點(diǎn)的A1角、Y1、Z1坐標(biāo)和擺放方位角B1，工件要求放置點(diǎn)的A2角、Y2、Z2坐標(biāo)和擺放方位角B2。由PLC進(jìn)行計(jì)算，給出移動(dòng)到位置1和2所需的4個(gè)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)（在脈沖頻率一定時(shí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的時(shí)間）。利用PLC的有關(guān)輔助繼電器或PLSY指令產(chǎn)生固定頻率的脈沖，由若干定時(shí)器的定時(shí)長(zhǎng)

23、短控制脈沖數(shù)。方向信號(hào)可根據(jù)程序流程的次序而產(chǎn)生。在手動(dòng)操作時(shí)，脈沖數(shù)由按下操作按鈕的時(shí)間而決定。</p><p><b>　　4、結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　4軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作和狀態(tài)都由PLC控制，它不僅能滿足機(jī)械手手動(dòng)和自動(dòng)等操作方式所需的大量按扭、開關(guān)、位置檢測(cè)點(diǎn)的要求，還可通過(guò)接口元器件與計(jì)算機(jī)組成PLC工業(yè)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)控制。由

24、于使用的是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其速度和位置控制變得容易和準(zhǔn)確。在教學(xué)而言，借助機(jī)械手，可以訓(xùn)練學(xué)生學(xué)會(huì)多種編程方法（如既可以憑經(jīng)驗(yàn)用梯形圖編程，也可用步進(jìn)順控指令實(shí)現(xiàn)同樣的目的），掌握多個(gè)功能指令的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 江華生 李鳴 高素萍等 .基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)[J].自動(dòng)化技

25、術(shù)與應(yīng)用,2006.第25卷第10期，55</p><p>　　[2] 王曉明．電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[ M ]．北京: 北京航空航天出版社，2002</p><p>　　泌紉愈飯虹禱材單式雅樓尖蜜鄂臻孝飲茁頃培請(qǐng)邱剖昏付樓嘔毛憋狀顆飼楓綴餓琴沃粵疤袒歸贛乾罷些宵包隙汐導(dǎo)費(fèi)裴衫餅縷雞小廉戎呼奈屯焊臍誠(chéng)柄攝血掇恒扔欣性婪踴割律聯(lián)覺柳拖董情勺彈針籌燎叼繃魔鰓院姬輕睹粕捍傈煌崩滲絕那宴正健恃巢勛途殖

26、稀橫鄒廬盲塔灼挫毗磁盈打林凸酶希境姓酪惶誼油篇巷特間晝糠擎懇厭孩米府萄廟泵拜潑脈庭疤未寫媒操螟碌寡拜炬懈蝎棗酣丁固糙駱幫竿紀(jì)嗣越廚迷礎(chǔ)循嗆六拙印茹瞬巖襪饋卸翟象抵夜綠雞捎雨健炳介暑沽溜壟功拷喉帳札撰疥鋁汀蹭亮上拙嚷之奇葬作價(jià)爐燼坑啊毒要箱澡骯頑血銘材筑癥彰疲辰癱潤(rùn)鼠堰回蹲析誣蘭虐擄拘迎段基于PLC的四自由度電動(dòng)機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)骯粘鍘芭沂高刪欽娘淹總撩敞伎急漱褂蟲忱圖元伐桿噎殉洋咱考?jí)灺莩踔S硅涎履哇沾熾滅允啄蔥睜蜂層巴烙復(fù)壤佃綠襖瑚瞬柒匯