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1、一款搬运机械手模型的应用设计在工业控制领域中，机械手的应用已有很长的历史。早期的机械手是全气动控制，随着电气控制技术的发展，继电器控制系统曾被工控领域广泛使用并占主导地位，机械手的控制也不例外。虽然它具有结构简单、易学易懂、价格便宜的优点，但其控制过程是由硬件接线的方式实现的。如果某一个继电器损坏，甚至仅仅是一对触点接触不良，就可能造成系统瘫痪，而故障的查找和排除又往往是困难的，需要花费很长时间。如果产品更新换代，则需修改整个系统的控制元件及其电路，重新进行复杂的接线。既要增加硬件的购置费用，又延长了施工周期。可见，继电器控制系统存在着可靠性低、适应性差的缺点，给人们在使用上带来很大的不便和遗
2、憾。同样，由继电器控制系统控制的机械手的使用也受到了同样的技术限制。 随着工业生产自动化的不断升级，对设备使用性能，运行可靠性，及自动化程度都提出更高的要求，原先靠继电器控制的机械手设备是无法满足现代工业生产要求的。应用PLC对机械手的控制系统进行改造，以PLC控制系统代替继电器控制系统是机械手控制系统的发展趋势，也是整个自动化领域的发展趋势。由此产生了本设计的设计思路，将研究并设计一个以PLC为核心控制装置的机械手模型，该模型涵盖了PLC技术，位置控制技术以及气动技 术等。 一、系统主要硬件组成 搬运机械手模型装置主体由底盘、主机模块(FP)、运动机械、电气控制及一些电缆电线等部分组成。 搬
3、运机械手模型装置的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸等机械器件组成；电气方面有步进电机、交流伺服电机、驱动模块、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成。 其结构原理图如图1所示。 在机械手臂的前端安装由伺服电机驱动可旋转角度=270的气控机械抓手(具有光电传感器)； 由两台步进电机驱动两组丝杠组件分别构成该系统运动方向的X轴和Y轴，机械手臂沿X轴做伸缩运动，沿Y轴做升降运动(含x、y轴限位开关)； 在Y轴的底部安装可回旋=270的转盘机构，由转盘带动机械手臂做水平方向上的旋转动作(其电气部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)； 型材基体。 2.1PLC的选型 松下FP系列PLC具有体积小
4、，功能强大的特点，它拥有一个中型的PLC的所有功能。高速计数器和脉冲输出功能是FP的一个典型特征。脉冲输出功能实现高达100KHz的梯形加/减速控制，通过FP主机脉冲输出功能和一个普通的步进电机驱动器联合使用，输出脉冲功能可进行位置控制。使用指令F171(SPDH)，通过指定初始的速度、最大值速度、加速度/减速时间和目标值，可自动获得脉冲输出，进行梯形的加/减速控制。 使用脉冲输出实现位置控制。脉冲输出能实现四种形式：脉冲/信号输出，CW/CCW输出。使用单通道，最大可达100KHz；使用双通道，最大可达60KHz。 2.2步进电机位置控制系统 本系统中，机械手臂的伸缩和升降都是靠步进电机带动
5、丝杠组件来完成的，步进电机旋转所需要的脉冲是由PLC输出的，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。不同的PLC类型所要编制的程序不同，控制字也有不同，参考说明书就可以知道这种差异。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。 在生产应用中为了实现生产机械的位置控制，步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种是步进电机和滚珠丝杆的连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。 在这种应用中，关系运动直接后果的参数有以下几个： N：PLC发
6、出的控制脉冲的个数； ：步进电机驱动器的脉冲细分数(如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动)； ：步进电机的步距角，即步进电机每受到一个脉冲变化所转过的角度； ：丝杠的螺纹距，他决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离。 根据以上的参数，我们可以得到以下的结果： PLC发出的脉冲个数到达步进电机上，脉冲实际有效数应为N/n， 步进电机每转过一周，需要的脉冲个数为360/， 则PLC发出N个脉冲，工作台面移动的距离为： L=Nd/360n (21) 有了这个公式，我们就可以很方便地根据生产机械实际所要移动的距离，来计算出移动这么大的距离所需要的脉冲数，从而为PLC的程序设计提供了方便。 2.3旋转码盘
7、的原理与选择 在本系统的底部安装由直流电机带动其做旋转运动的转盘机构，以控制机械手臂在水平方向上的转动，并采用光电编码器控制转盘的旋转角度。 本设计所使用的旋转码盘属于脉冲盘式编码器。它的工作原理如下： 脉冲盘式编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈的相邻两缝距离错开半条缝；另外在某一径向位置，一般在内外圈之外，开有一狭缝，表示盘码的零位。在它们的相对两侧面分别安装光源和光电接收元件，如图2所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲输出。通过对光电脉冲计数、显示和处理，就可以测量出码盘的转动角度。利用PLC的高速计数器对编码器输出的脉冲进行计数，从而对转盘的
8、旋转角度进行定位。 本设计所使用的光电码盘型号为E6A2CW5C。机械手每旋转3发出一个脉冲。 二、物流搬运机械手模型程序设计 3.1系统工作过程描述 搬运机械手用于完成货物的搬运。机械手臂的横轴和竖轴都是由滚珠丝杆和步进电动机所组成，机械手由伺服电动机和气动抓手组成。当系统正常工作时，工作过程如下： (1)取物过程 在初始位置(底盘处于回位状态、机械手臂处于右限位和上限位、气动抓手处于会位状态)按下按钮； 机械手臂下降与底盘回位； 机械抓手张开； 机械手臂下降和气动机械手抓紧； (2)搬运过程 机械手臂抬升； 机械手臂前伸和底盘正转； 机械手臂后缩； 机械手臂下降和机械抓手放开。 系统停止或
9、故障恢复后，机械手回到初始位置。 3.2特殊寄存器及控制字的设置 3.2.1F0(MV)高速计数器控制指令 该指令的功能是控制高速计数器的运行。当触发信号接通时，改变高速计数器的运行方式。一旦选定运行方式，则在用该指令进行新的设置之前，高速计数器一直工作在该方式下。只有用F0(MV)指令才能改变高速计数器的运行方式。 3.2.2特殊数据寄存器DT90052的设置 位置控制的复位操作用到特殊数据寄存器DT90052，可以完成脉冲输出的软件复位，停止脉冲输出，禁止计数等操作。 在DT90052的高8位中的前4位(第12位第15位)用于指示高速计数器的通道，如第二通道CH1的复位就是给DT90052
10、赋值H1009，其中的“1”就是表征第二通道。 (1)F1(DMV)读出或修改高速计数器的经过值指令 该指令的功能：首先，当触发信号接通时，将存储在特殊数据寄存器DT90045和DT90044中的高速计数器的经过值 修改为源区S的值。其次，还可读出高速计数器的经过值。当触发信号接通时，将存储在特殊数据寄存器DT90045和DT90044中的高速计数器的经过值拷贝到目的区D指定的32位区。 (2)位置控制指令F171-SPDH 可使用的机型：FP 形式：F171 SPD1，S，n 动作描述：当相关控制标志变成OFF并且内部继电器变成ON，脉冲从指定的通道(CH0或者CH2)发出。 允许指定存储区
11、类型： S：数据列表的开始地址，只能指定为数据寄存器(DT)； n：脉冲输出的通道(K0或K2)，只能指定为0通道和2通道。 3.2.3控制代码的设定 初始速度：即步进电动机的启动频率。当初始速度设定过大，步进电动机无法启动；过小则响应时间长。其设定值是根据步进电动机特性与驱动器决定的，在步进电动机参数里说明。 最高速度：即步进电动机的运行频率。当最高速度设定过大，步进电动机产生失步或堵转；过小则转速低。其设定值也是根据步进电动机特性与驱动器决定的，在步进电动机参数里说明。 加/减速时间(ms)，K值表示：30步内：K30K32767；60步内：K60K32767。 目标值：K-2147483648K2147483648。