一種基于PLC與步進電機的閉環RTT式機械手的電氣設計

苗現華

（蘇州健雄職業技術學院，太倉 215411）

一種基于PLC與步進電機的閉環RTT式機械手的電氣設計

苗現華

（蘇州健雄職業技術學院，太倉 215411）

本文針對機床加工行業，從毛坯到半成品到成品沒有實現一體化、智能化生產的現狀，設計了基于PLC與步進電機的閉環RTT式機械手。該機械手可以實現機床及周邊供料、取料一體化、智能化，尤其是在一些非標準件生產中可以廣泛應用。

PLC 機械手 電氣設計

引言

隨著科技的進步，工業機械手已經頻繁出現在工業生產中，但目前，國產的機械手發展尚處于起步階段，據相關數據統計，國產機器手中80%～90%的減速機用的是國外減速機，60%～70%用的是國外電機，40%～50%用的是國外控制器。另外，國產機械手大多用在搬運、抓取等行業，反應了高端產品的低端化，該現象造成了巨大的浪費。與此同時，在生物、醫療領域等對位置控制精度要求比較高的場合，機械手選用伺服控制系統，成本較高?；谝陨蟽牲c，本文研究了一種采用步進電機實現閉環RTT式機械手。該設計彌補了在原有開環控制系統中，無法預知被控對象的被控量和實際值的誤差，更無法測量外界干擾因素等的不足；對步進系統的閉環研究能形成對被控量和給定值的比較，從而實現補償，有效提高了原來開環系統的精度，同時減少了機械手成本。

1 設計要求

結合實際情況，通過計算機輔助設計法。繪制站與站的位置，如圖1所示。機械手本體是主體，負責對供料站、加工A站、加工B站、成品站之間的工件進行抓取放置。如附錄電氣圖紙位置圖所示。在毛坯站只需要人工將料放在供料機上，供料機依靠檢測傳感器，當有料時，綠燈點亮；當沒有料時，紅燈一亮一滅地閃爍。加工A站為機床，PLC從機床中取得信號為加工完成信號（機床黃燈指示燈信號）、工件夾緊完成信號、工件放松信號、令機床夾爪夾緊信號、令夾爪放松信號、程序啟動信號、報警信號（機床紅色指示燈信號）。同樣，加工B站同機床A的信號一樣。這兩組信號供給PLC作為輸入輸出來控制機械手和機床自動運行。在成品站處，由機械手將加工B站的成品放置在成品處，當有成品時，成品站綠燈以0.5HZ的頻率閃爍，提醒工作人員拿取工件。

圖1 機械手運動過程

2 設計流程

前期對項目的控制要進行可行性分析，技術難點分析，主要難點在于旋轉編碼器反饋的脈沖數與PLC發出的脈沖數進行對比，進行反饋做差。首先，確定項目整體的大致方案，確定執行機械結構、執行機構、控制系統等。其次，進行其他元件的選型，選型后，需要對各個軸運動控制脈沖數和頻率進行計算。然后，進行電氣原理圖的繪制，并進行外圍線路的連接。接下來就可以進行梯形圖的程序編寫和組態程序的編寫，最后進行程序的模擬運行。

本文主要對電氣部分進行設計，包括元器件的選型、控制的相關計算、電氣原理圖的繪制，程序的編寫、模擬運行等流程。

3 電氣元件的選型

電氣元器件的選型主要包括對各個元器件的特性、運行環境等參數進行考慮。

3.1 主令元件的選型

（1）選擇開關的選型。考慮到設備需要手動模式和自動模式，所以選用選擇開關。其觸電構成為兩個常開觸電，動作功能有三個位置，60°轉動保持，反轉復位。如圖2所示。其電氣特性如下：額定工作電壓為DC24V，額定工作電流為4A，約定發熱電流為5A，使用環境為-25℃到+55℃，適合在正常環境下使用。

圖2 選擇開關圖形符號

（2）限位開關的選型。限位開關又稱微動開關，在設備中設置機械限位，是為了防止機器在運動過程中軟限位出現問題，通過硬限位得以保障。在設備中選用比較直觀的接觸式限位開關，將限位開關安裝在底部機械手靜止的基座上，當機械手運動到相應限位時，撞到限位開關的彈片，使電路切斷，實物如圖3限位開關所示。

圖3 限位開關

選用微動開關主要考慮以下幾個因素：首先是外觀尺寸，目前，市場上所有的小型微動開關尺寸相對較小的大概是12.8mm×5.8mm×12mm。這種小型微動開關用于小電流電路，通常情況下，分斷能力在0.1～3A。行程也比較短，也就是微動開關的尺寸和行程、分斷能力成正比。然而在考慮尺寸時，要折中操作力和電流容量。另外是電氣特性，微動開關通常能分斷從5mA/5VDC到25A/250VAC的電流。我們選用的三菱FX系列PLC輸入為ON，X0-X10的電流最小為3.5mA/24VDC，X10之后需要的電流為5mA/24VDC，輸入電流要小于7mA。當PLC輸入為OFF時，輸入電流不得小于1.5mA。再次，要考慮限位開關安裝的工作環境，機械手設備工作在常溫工作狀態下，限位開關的機械壽命在1000萬～2 000萬次，電氣失效前最大負載炒作5萬～10萬次。當然，還需要觀察是否有CQC或CSA認證。

（3）急停按鈕的選型。在運行過程中，為了能讓機械手在特殊情況下停止當前動作而加設急停按鈕。在設備中，急停接入可編程控制器的輸入端，通過按下急停按鈕，來復位所有動作，右旋復位常用操作方式。端子排列如圖4所示。所選急停按鈕設有一個常開和常閉的一體式觸頭。額定工作電壓為DC24V，額定工作電流為5A，約定發熱電流為5A。

圖4 急停圖形符號

3.2 配電器件的選型

（1）空氣斷路器的選型。在低壓電器中，空氣斷路器集控制、電路短路、過載欠壓等保護于一體。在該設備中，接入空氣開關的電壓為220V，頻率為50HZ，整個設備的額定電流不超過10A。雖然執行機構為感性負載，但對直流步進電機的啟動沖擊電流較小，因此，脫扣特性選用C特性?？紤]外界因素對斷路器性能的影響。首先考慮環境溫度對載流能力的影響，因為額定電流不超過多少，而設備所在地的海拔高度低于2000m，因此，分斷能力不受影響。另外，設備不采用多臺連續并排安裝，故額定電流不受影響。

（2）開關電源的選型。選用開關電源主要考慮輸入輸出電壓電流的規格。電路中輸入用的是220VAC/50HZ輸入。輸出主要分為兩種，一種是供PLC和上位機其他元件的24VDC/12.5mA輸出，另一種供給旋轉編碼器和步進驅動器的5VDC/3mA輸出。開關電源的功率也特別重要，根據經驗，這里的電流12.5mA和3mA根據電路的負載來計算?？紤]電路中負載均為步進馬達，因此，開關電源當設置一些保護。選用的保護功能有過電壓保護、過溫度保護、過負載保護等。

（3）導線的選型。導線的選擇對于整個設備都至關重要，如果導線的截面積選擇較小，電器負載大，可能導致導線發熱，甚至發生火災；如果導線截面積選擇較大，會造成成本高，導致材料浪費。在實際工程中，通過總結的導線安全電流口訣選擇銅導線?？谠E為：10下五；100上二；25、35四三界；70、95兩倍半；穿管溫度八九折；裸線加一半銅線升級算，設備所用的電流在10安培以內。因此，選用2～2.5m2的銅導線作為載體。

3.3 控制器件的選型

（1）PLC的選型。在選用PLC時，首先考慮的是輸入輸出的點數，然后按照總需要預留總點數的15%～20%備用。本設計的數字量輸入點數20個，輸出點數為16個。其次是對存儲器容量的選擇。對容量進行估算，所需輸入輸出點數之和乘以8得到288bit，就是所需PLC存儲器的存儲容量。再次是對PLC的IO響應時間的選擇。因為本設計輸入輸出都是開關量，不需要考慮響應時間，但在做模擬量的閉環控制時需要考慮響應時間。最后是對特殊的輸入輸出的考慮。在本設計中，輸入有兩個AB相增量式旋轉編碼器輸入，而輸出有三個兩相步進電機輸出。因此，需要晶體管輸出功能的PLC。

綜合考慮上述因素，結合西門子PLC和三菱PLC的特點，本設計選用了更擅長用于位置控制的三菱FX系列3U的PLC，型號為FX3U-64MT。其有32個數字量輸入，32個數字量輸出，同時支持兩個AB相旋轉編碼器輸入，最大響應頻率為50Khz，輸出有三個晶體管輸出，分別為Y0Y1Y2，位置控制指令簡單方便。

（2）步進驅動器的選型。在設備中，執行機構用的是步進電動機，而控制器選用的是可編程邏輯控制器，為此，需要對PLC發出的信號進行放大，以驅動PLC正常工作。步進驅動器有三種驅動模式，分別為整步、半步、細分。相對于整步和半步，細分具有低速振動小和定位精度高兩大優點。本設計中X軸為3A的57式兩相步進電機，Y軸與Z軸為0.98A的42式步進電機。為了匹配PLC源型/漏型的不同，采用支持驅動器共陽、共陽輸入接法的驅動器。在實際應用中，只需撥動驅動器的撥動開關，調節輸出電流和細分、半流，以實現對電機的控制。

（3）上位機的選型。上位機本身含有兩個部分，表面觸摸裝置和觸摸屏控制部分。而觸摸屏一般被分為四大類：電阻式、電容式、紅外線式、表面聲波式。電阻式觸摸屏的屏與外界完全隔離，不用擔心灰塵、水氣、油污等，工業控制領域主要用電阻屏。而電容式觸摸屏的分辨率比較高，透光率也較好，其價格相對昂貴，但滿足各方面的要求。手機電腦觸摸屏主要用電容屏。紅外線觸摸屏主要通過判斷紅外線的通斷來確定觸摸位置，所以其分辨率可以達到100%，唯一影響其分辨率的是選用的透明擋板材料。表面聲波式屏的定位精度比較高，有橫縱向，還有的有Z軸力的檢測，主要用于各類公眾場合，但它對環境的要求較高，壽命較短。本設計選用的是MCGS的TPC7062KS型號的7寸屏，分辨率為800*480，電阻式觸摸屏，主板為ARM，400MHZ，內存為64M，外部接口有USB一主一從，串口為1個RS232、一個RS485。

3.4 檢測反饋器件的選型

（1）傳感器的選型。對機床各種材料的工件上料完成情況及位置檢測需要傳感器來檢測。雖然機床的材料多為金屬，但也有其他材質的棒材。為此，選用光電接近開關，在三菱FX3U-64M PLC中支持漏型和源型輸入的傳感器，選用常用的PNP型傳感器作為檢測傳感器。

（2）旋轉編碼器的選型。在設計中，編碼器扮演著反饋的角色，對整個系統的精度起著至關重要的作用。旋轉編碼器按輸出信號分為增量式編碼器和絕對式編碼器。前者主要應用于測速、測旋轉方向、相對距離、移動角度等；后者則相對前者精度要高的很多，主要用于角度測量、長度測量、位置測量、同步等。本設計主要選用的是增量旋轉編碼器，在選型的過程還要考慮以下因素。

首先，旋轉編碼器電氣上的最高響應頻率。在實際應用中，如果高于這個參數，編碼器的電路就無法工作，出現漏脈沖的現象。最高響應頻率計算如公式（1）所示。其次，在選型的過程中還需要考慮最大電氣轉速，其數值不能超過最大機械轉速，否則會導致編碼器旋轉軸的損壞。本設計選用的增量式旋轉編碼器，參數如下：分辨率為1000P/R，最大機械轉速為5000轉/分，最大響應頻率為100KHZ。在實際控制中，要先設定轉速小于最大機械轉速，再計算出電氣頻率并與最大響應頻率比較。

3.5 執行機構的選型

（1）步進電機的選型。在選用步進電機時，需要考慮電機的轉矩必須符合負載運動轉矩的要求，同樣有轉速、輸出功率的要求。首先考慮的是負載轉矩。負載轉矩有計算法、試驗法、類比法。計算法比較復雜繁瑣，需要參考大量公式；試驗法就是在負載上加個杠桿，然后用彈簧秤去拉杠桿，負載轉動時的拉力乘以力臂長度就是負載力矩，但存在一定誤差。通過類比同行業中類似的設備，并進行機構設置、負載質量、運動速度等方面比較，進而選擇步進電機。

此外，步進電機轉矩和轉速有密切關系，兩者成反比關系。圖5為步進電機的矩頻特性曲線圖。當頻率在1000HZ以下時，電機的轉矩下降比較快，所以電機的轉矩要控制在1000以上，也就是速度在300r/min以下。在實際選型中，先確定轉矩，然后確定轉速，再根據這兩個參數觀察步進電機的矩頻特性。選擇符合兩個參數的電機，如果選不出，則必須考慮加配減速裝置或降低轉速。

圖5 矩頻特性曲線

（2）電磁閥的選型。在控制夾爪夾放工件時，需要氣缸來控制，控制氣缸通過電磁閥來控制。夾爪有兩個狀態，分別為夾工件和松開狀態。本設計選用的是雙控三位五通的電磁閥。通過PLC分別控制電磁閥兩端的線圈來控制氣缸的伸縮，使夾爪夾放。本設計選用的是亞德客4V230C-08的電磁閥，工作電壓為24V，工作溫度在5～50℃，最大壓力為10.5KGF/CM2，勵磁時間為0.05。在裝配的過程中需要注意的是，接管路時，需要纏繞生膠帶，生膠帶不能超過牙端面，還需要注意防塵，排氣口用消聲器。

3.6 其他配件的選型

（1）電阻的選型。在步進驅動器接受的脈沖、方向、使能信號電壓等級為5V，而PLC輸出的電壓等級為24V，因此，需要加入電阻來改變電氣參數。

（2）線槽的選型。只有無電磁兼容的配電線路才能放在一個線槽里，線槽內線纜的總面積包括外護層不應超過線槽內截面積的20%，且截流導體不宜超過30根，控制電纜和信號電纜的總結面積不超過線槽內截面積的50%。本設計均選用的是30*30線槽。

4 機械手控制的相關計算

本部分主要分析各個軸的相關計算，主要計算電機的脈沖數、脈沖頻率等計算參數。然后設置步進驅動器的相關參數。

4.1 X軸運動分析與計算

（1）X軸控制步進電機相關計算。X軸是由同步皮帶輪和皮帶來控制。步進電機帶動驅動輪控制皮帶運轉。設驅動輪的外徑為D，移動距離為D1，要求時間為2s。電機的步距角為1.8°，細分數為4，則X軸脈沖當量δ為δ=0.005mm/PLS，脈沖數為P=X/0.005PLS，脈沖頻率為f=2600HZ。

（2）X軸驅動器相關設置。其中，參數SW1、SW2、SW3主要控制輸出電流，因為X軸步進電機的電流為3A，所以需要將參數調成SW1-OFF，SW2-OFF，SW3-OFF。而SW4表示是否半流設置。在電機停止的狀態，要考慮驅動器以全電流讓電機鎖住還是半電流讓電機鎖住，因為X軸處于水平位置，所以用半流，減少發熱，所以SW4-ON。接下來要調細分步數，表示每轉的脈沖數，原先步進電機的步距角為1.8°，每轉脈沖要200個脈沖，然后經過驅動器的細分之后乘上細分參數，顯示電機轉動一圈需要多少脈沖。這里設置的是4細分所以設置為SW5-ON，SW6-OFF，SW7-ON。

（3）X軸定位運行控制示意圖，如圖6所示。

圖6 X軸控制曲線

4.2 Y軸運動分析與計算

（1）Y軸控制步進電機相關計算。Y軸傳動機構為絲桿加螺母副。絲桿的螺距為4mm，步距角為1.8°，細分為4，最大的速度為13mm/s，實際前進為X，則脈沖當量為δ=0.005mm/PLS,脈沖數為P=X/0.005PLS，脈沖頻率為f=2600HZ。

（2）Y軸驅動器相關設置。其中，參數SW1、SW2、SW3主要控制輸出電流，因為Y軸步進電機的電流為0.98A，所以需要將參數調成SW1-ON，SW2-ON，SW3-OFF。而SW4表示是否半流設置。在電機停止的狀態，考慮驅動器以全電流讓電機鎖住還是半電流讓電機鎖住，因為Y軸處于水平位置，所以用半流，減少發熱，所以SW4-ON。接下來是調細分步數，表示每轉的脈沖數，原先步進電機的步距角為1.8°，每轉脈沖要200個脈沖，然后經過驅動器的細分之后就乘上細分參數，顯示電機轉動一圈需要多少脈沖。這里設置的是4細分所以設置為SW5-ON，SW6-OFF，SW7-ON。

（3）Y軸定位運行控制示意圖，圖7所示。

圖7 Y軸控制運行圖

4.3 Z軸運動分析與計算

（1）Z軸控制步進電機相關計算。Z軸傳動機構為絲桿加螺母副。絲桿的螺距為4mm，步距角為1.8°，細分為4，最大的速度為13mm/s，實際前進為X1，則脈沖當量為δ=0.005mm/PLS,脈沖數為P=X/0.005PLS，脈沖頻率為f=2600HZ。

（2）Z軸驅動器相關設置。其中，參數SW1、SW2、SW3主要控制輸出電流，因為Z軸步進電機的電流為0.98A，所以需要將參數調成SW1-ON，SW2-ON，SW3-OFF。而SW4表示是否半流設置。在電機停止的狀態，考慮驅動器以全電流讓電機鎖住還是半電流讓電機鎖住，因為Z軸處于水平位置，所以用半流，減少發熱，所以SW4-ON。接下來是調細分步數，表示每轉的脈沖數，原先步進電機的步距角為1.8°，每轉脈沖要200個脈沖，然后經過驅動器的細分之后就乘上細分參數，顯示電機轉動一圈需要多少脈沖。這里設置的是4細分，所以設置為SW5-ON，SW6-OFF，SW7-ON。

（3）Z軸定位運行控制示意圖，如圖8所示。

圖8 Z軸運行圖

5 控制系統外圍硬件設計

本部分主要對控制器三菱FX3U-64MT進行外圍分配、原理圖繪制，程序在此就不贅述。

（1）PLC I/O分配。在分析完項目的流程后，對PLC的I/O進行分配。其中，PLC內部輔助繼電器供給上位機編程用，具體如表1所示。

（2）機械手系統接線圖繪制。本設計的電氣原理圖通過EPLAN軟件繪制，項目包括高層代號SCH、REP1、REP2，在SCH中繪制包括電路分配，PLC的電源輸入輸出，氣路部分。在REP1中有PLC的圖表、卡總覽。REP2中生成端子連接圖、電纜連接圖。

在EPLAN中PLC設計主要有三種，基于地址點、基于通道、基于板卡?；诘刂伏c的設計就是在實際項目中逐個用PLC的IO點，在大的項目中一般會用本設計方法。基于通道的設計就是輸入輸出模塊一個點的路徑，對數字量一般是一個DI或者DO的點形成一個通道，而模擬量可能是兩個AI或AO組成的通道。而本設計中PLC用的是基于板卡的設計方法，將FX3U-64mt做成窗口宏，然后直接調用，通俗易懂。在實際工程中，基于板卡的設計方法應用較多。

表1 PLC I/0分配（FX1N-60MT-D）

6 總結

該機械手，通過PLC與步進系統對機床及周邊設備的結合，實現了自動化加工，減少了人工成本，為企業提高了效益。另外，對步進系統旋轉編碼器的反饋，實現半閉環的位置控制，從而實現了控制的精確性。

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Electrical Design of a Kind of Closed-loop RTT Manipulator Based on PLC and Stepper Motor

MIAO Xianhua
(Suzhou Chien-shiung Institute of Technology, Taicang 215411)

This manipulator design, mainly because of the machine tool industry from blank to se mi-finished products to finished product does not implement integration, intelligent production intelligent manufacturing. This manipulator can achieve machine tool and its surrounding material feeding, feeding integration, intelligent, es pecially in s ome non-standard can be widely used in production.

PLC, manipulator, electrical design