PLC在工業機械手的應用研究

摘要：工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備。工業機械手也是工業機器人的一個重要分支。PLC控制機械手體積小且可以在現場修改和調試程序，達到對生產要求的隨時改變；因此應用PLC控制機械手可以實現各種規定的工序動作，可以簡化控制線路，節省成本，提高勞動生產率。

關鍵詞：可編程控制器 機械手 步進電機 精確定位

機械手顧名思義他能夠實現人類手的部分功能，可以按設計的目的要求實現相關的動作，比如抓取物料，搬運東西等一些簡單的動作。這種自動化裝置可以代替生產車間里面繁重的人力勞動以及代替工人在一些高危環境，高危行業里面進行作業。工業機械手是近年來發展起來的高科技設備，它涉及機械，力學，自動控制，傳感器，計算機等領域，是一個跨學科的綜合性技術。由于機械手在工業部門的強大作用，必然為國民經濟領域帶來廣泛的發展空間。為此對工業機械手的研究顯得很有必要。

機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。構成機械手傳動及控制的主要部件是：步進電機及其驅動器，PLC，直流電機驅動及其他部分。現將主要部分主要功能介紹如下。

1 步進電機

步進電動機是將數字信號轉換成機械運動的執行元件；是一種常用的動力驅動設備。

步進電機的工作原理：

在A相的A(+)、A(-)分別接+5V電源和-5V電源，在B相的B(+)、B(-)分別表示接+5V電源和-5V電源。當A相與B相按圖1-1-1所示順序通以正負5V電源時，步進電機的定子磁極部分將會在磁極以及相鄰磁極之間按順序感應出一對旋轉的磁極與轉子的永磁鐵相對應，從而通過轉矩拉動轉子產生步進運行。這樣，通過通電次序的改變達到改變步進電機的運行拍數、運轉方向和運轉速度。假定步進電動機正轉運行的通電次序為順時針，則典型的兩相八拍步(兩相八拍通電規律如圖1-1-2)進電動機正轉的通電狀態的變化規律是：A(+)→A(+)B(-)→B(-)→B(-)A(-)→A(-)→A(-)B(+)→B(+)→A(+)B(+)→A(+)

2 可編程控制器

可編程控制器（簡稱PLC）：它是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統裝置，它采用可編程序的存儲器，用以在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。

本設計采用晶體管輸出型S7-200 CPU224 CN可編程控制器，可同時輸出兩路脈沖到步進電機驅動器，控制步進電機運行，它具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的命令，可以近乎完美地滿足小規模的控制要求。

3 PLC控制器與步進電機驅動器連接的工作原理

PLC控制步進電機驅動系統原理框圖如下圖3-1-1所示：

圖中脈沖信號發生電路用以產生步進脈沖信號，其頻率按步進電機進給速度的要求設計，步進量采用步進脈沖計數法進行控制，具體做法就是PLC的調整脈沖輸入端和調整脈沖計數器對進給脈沖計數，按脈沖的個數控制進給量。采用硬件脈沖信號發生電路，工作頻率較高，可在數控裝置中作多軸插補控制，亦可方便地用于各種機械裝置的驅動。

PLC控制器與步進電機驅動器工作原理如圖3-1-2所示：驅動器電源由面板上電源模塊提供，注意正負極性，驅動器信號端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻。驅動器輸入端為低電平有效。

4 工業機械手PLC控制系統的控制要求

控制要求：實現把放在A地的物塊拿到B地。并實現對機械手各動作的順序控制。機械手傳送工件系統示意圖，如圖4-1-1所示。

以機械手復位點為原點O（0，0，0），建立坐標系，單位為mm，如圖4-1-2所示。A地的坐標是(80，50，0)，B地的坐標為(80，50，30)。根據控制要求，邏輯流程可以分為15個部分。系統啟動時，程序運行復位，各映象寄存器清0，氣夾、基座、X軸、Y軸復位。各部位復位完成后，延時2秒。當有工件放在工作臺A上時，啟動條件允許，則機械手橫軸開始前伸80mm。當前伸到位時，停止前伸，機械手氣夾旋轉，旋轉到位后，手張開(Q1.0=0)。然后機械手豎軸下降，下降50mm時，停止下降。

這時手開始夾緊工件（Q1.0=0），同時啟動延時0.5s(可以取T40)。待T40時間到，豎軸開始上升50mm，上升到位時，停止上升。機械手橫軸開始縮回80mm，當到后位時，停止縮回。這時基座開始旋轉，并產生一個Vpp為24V的方波信號，每旋轉3°編碼器發出一個脈沖，用于機械手的定位控制。旋轉到位后，橫軸開始前伸80mm，當前伸到位后，停止前伸。手開始旋轉。旋轉到位后，豎軸開始下降50mm，當下降到低位時，停止下降。機械手在低位時開始松開工件，同時啟動延時0.5s定時器(T40) 。待延時時間到，豎軸又開始上升。并通過程序，實現機械手軟件復位。機械手等待工作臺A再一次有物塊時，進行下一周期操作。

根據機械手的控制要求，可以總結出基本的程序流程如圖4-1-3所示：

5 關鍵問題解決

5.1 橫軸、豎軸的定位控制

通過高速脈沖輸出指令PTO，產生脈沖串，來控制步進電機。通過設定控制字、周期、脈沖數，可以實現橫軸和豎軸的定位控制。本設計中，取周期為500微秒，頻率為2000Hz。細分倍數設定為8，也就是說1600步數/圈，步距角為0.225Ｏ。螺距為5mm，傳動速比約為1。根據控制要求，橫軸移動80mm，豎軸移動50mm。在PLC 對步進電機的控制中，必須計算出如下三個參數:

根據這三個參數，才能計算出脈沖控制數據。

要實現基座定位的精確控制，需要首先構建閉環控制系統模型，并對基座定位系統的執行機構進行輸出監控。在使用PLC作為主控單元的控制系統中，可以利用PLC 的高速計數功能讀取和電機同步的光電碼盤發出的高速脈沖信號，并對之進行計數，根據預定脈沖數和實際脈沖數的情況，具有高速脈沖輸出功能的PLC，可向步進電機發出應脈沖，從而實現電機的閉環控制。PLC的高速計數模塊在加減計數器中，可進行多個設定值區域的多段設定，進行計數時，計數值和設定值比較，在允許中斷的狀態下，當設定值和計數值一致時，則中斷當前處理轉去執行中斷程序，中斷程序執行完，則返回被中斷處繼續往下執行。

本設計中，基座每旋轉3°，碼盤發出一個脈沖。根據控制要求，基座旋轉60°，所以可以用加計數器C1，進行計數，當計到20個時，基座停止旋轉。

5.2 機械手各動作的順序控制

S7-200中設置了256個順序控制繼電器（SCR），通過順序控制指令來編制順序控制程序。

編制順序控制程序的步驟：①編制每一個順序控制程序時，首先應啟動相關的特殊標志位和狀態位。在同一程序中，各程序的狀態位不能相同。②每一個順序控制程序都是以LSCR開始，啟動狀態位。以SCRT進行狀態轉換，結束前一個程序步，啟動后一個程序步，則以SCRE結束。③在程序開始，使輸出位置位。本設計采用狀態繼電器編程。狀態繼電器是專門為順序控制設計提供的，在編制順序控制程序時應與步進指令一起使用。要使用狀態繼電器編程必須把握兩個關鍵詞，即狀態和轉移條件。所謂狀態就是每一狀態應完成相應的動作；轉移條件即是從上一個狀態轉移到下一個狀態，所應滿足的條件。這里所說的狀態即是: 從原位開始，前伸、下降、夾緊、上升、縮回、旋轉、前伸、下降、放松、上升、復位；這里所謂的轉移條件即是: 前伸、縮回、上升、下降到位和夾緊、放松延時時間。先使各標志位和狀態位都清零，再采用M0.1-M0.7，M1.0-M1.7，M2.0-M2.5，M3.0-M3.3等25個中間繼電器，使機械手按控制流程圖順序動作。程序結束時，使輸出位復位。

以上幾個關鍵問題解決后，程序輸入PLC，經過多次調試和修改，直至機械手按要求動作。到此，就達到了機械手控制系統的設計要求。

6 結束語

本文介紹了工業機械手的主要部分、機械手控制流程以及控制過程中應解決的主要問題。PLC控制器與步進電機驅動器連接工作可實現機械手的定位精準，最終可實現機械手在空間中的準確定位并抓放物體。本系可以根據機械手的不同作業要求，編程設計不一樣的程序來實現預期的動作結果；很大程度上方便了用戶企業使用者的調試。綜上研究結果，本系統功能靈活，可實現動作多樣，調試方便，定位快速，并可以根據用戶相關控制需要調整參數，實現人機智能化。