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1、基于 PLC 的机械手控制设计关键词：机械手伺服电机PLC 步进电机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，使机械手技术快速发展，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。 一 四轴联动简易机械手
2、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。其运动控制方式为：(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
3、始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；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。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，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
4、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 1040V 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，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1040VDC 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
5、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. 伺服电机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
6、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，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
7、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 2448V 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，5. PLC 的选型根据系统的设计要求，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，包括同步脉冲控制、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
8、泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它 OMRON PC 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方便的融合到工业控制系统中。三 软件编程1. 软件流程图流程图是 PLC 程序设计的基础。只有设计出流程图，才可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。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图 2 所示。2. 程序部分由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图 3。四 结束语四轴联动简易机械手的各个动作和状态都
9、由 PLC 控制，不仅能满足机械手的手动、半自动 、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，更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。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。机电一体化智能大流量电动执行机构论文摘要】提出一种新型电动执行机构的设计方案，详细介绍了该执行机构各功能元件的选型与设计、阀位及速度控制原理以及各种关键问题的解决方法。该执行机构将阀门、伺服电机、控制器合为一体，采用 8031 单片机、变频技术实现了阀门的动作速度和位置控制，解决了阀门的精确定位、阀门柔性开关、极限位置判断、电机保护及模拟信号隔离等技术问题。现场运
10、行情况表明，该电动执行机构具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点。 1 引言 在现代化生产过程控制中，执行机构起着十分重要的作用，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。而且执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比，一旦出厂，这一速度固定不可调整，其通用性较弱。整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段，系统的安全性较差，不便与计算机联网。鉴于以上原因，采用传统的大流量电动执行机构的控制系统，可靠性和稳定性较差。随着计算机网络、现场总线等技术在工
11、业过程中的应用，这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机构，采用机电一体化技术，将阀门、伺服电机、控制器合为一体，利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内置变频器，采用模糊神经网络，实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等控制。该电动执行机构省去了用于控制电机正、反转的接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的控制柜和配电柜，具有动作快、保护较完善、便于和计算机联网等优点。实际运行表明，该执行机构工作稳定，性能可靠。 2 电动执行机构的硬件设计及工作原理 电动执行机构控制系统原理框图如图 2-1 所示。智能执行机构从结构上主要分为控制部分和
12、执行驱动部分。 控制部分主要由单片机、PWM 波发生器、IPM 逆变器、 A/D、D/A 转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器。 系统工作原理： 霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，经 A/D 转换后送入单片机。单片机通过 8255 控制 PWM 波发生器，产生的 PWM 波经光电耦合作用于逆变模块 IPM，实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对 380V 电源进行全桥整流得到。 控制系统各功能元件的选型与设计： 1)单片机选用 INTEL
13、 公司生产的 8031 单片机，它主要通过并行 8255 口担负控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相 PWM波发生器所需要的控制信号；处理 IPM 发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号； 2)三相 PWM 波发生器PWM 波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生 PWM 波，这种方法占用的内存较
14、大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的 PWM 波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用 MITEL 公司生产的SA8282 作为三相 PWM 发生器。SA8282 是专用大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。 3)智能逆变模块 IPM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块 IPM。该执行机构主要适用功率小于 55kW 的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为 075。经计算可知，选用日本产的智能功率模块 PM50RSA120 可以满足系统要求。该功率模块集
15、功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件。 4)位置检测电路位置检测电路是执行机构的重要组成部分，它的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感器的选型。在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰。差动变压器由于线性区太短和温度特性不理想而受到限制。导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精度也不高。笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。 5)电压、电流及检测检测电压、电
16、流主要是为了计算电机 的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0 50Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测 IPM 输出的三相电流，对于 IPM 输出电压的检测采用分压电路。如图 2-2 所示。 6)通讯接口为了实现计算机联网和远程控制，选用 MAX232 作为系统的串行通讯接口，MAX232 内部有两个完全相同的电平转换电路，可以把 8031 串行口输出的 TTL 电平转换为RS 232 标准电平，把其它微机送来的 RS232 标准电平转换成 TTL 电平给 8031，实现单片机与其它微机间的通讯。 7)时钟电路时钟电路主要用来提供采样与控制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。文中选用时钟电路 DS12887。DS12887 内部有 114 字节的用户非易失性 RAM，可用来存入需长期保存的数据。 8)液晶显示单元为了实现人机对话功能，选用
