基于PLC的自動線機(jī)械手位置控制系統(tǒng)設(shè)計

梁新平

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，陜西 西安 710014）

基于PLC的自動線機(jī)械手位置控制系統(tǒng)設(shè)計

梁新平

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，陜西 西安 710014）

自動化生產(chǎn)線機(jī)械手在各生產(chǎn)模塊之間傳輸工件，需要實現(xiàn)位置控制。自動線機(jī)械手的執(zhí)行元件為伺服電動機(jī)，以西門子S7-200可編程控制器為控制中心，驅(qū)動松下伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機(jī)，伺服電動機(jī)通過同步帶傳動帶動機(jī)械手運動，可以實現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確位置控制。硬件結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)量少，軟件編程應(yīng)用位置控制編程向?qū)В脖容^簡單。

PLC；機(jī)械手；位置控制；設(shè)計

自動線是在流水線的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。它不僅要求線體上各種機(jī)械加工裝置能自動地完成預(yù)定的各道工序及工藝過程，使產(chǎn)品成為合格的制品，而且要求在裝卸工件、定位夾緊、工件在工序間的輸送、工件的分揀甚至包裝等都能自動地進(jìn)行。使其按照規(guī)定的程序自動地進(jìn)行工作。

本設(shè)計所針對的是由供料、加工、裝配、分揀和輸送5個單元組成的自動線。輸送單元是自動線中最重要的，同時也是承擔(dān)任務(wù)最繁重的工作單元。該單元主要任務(wù)是使驅(qū)動抓取機(jī)械手精確定位到指定單元的物料臺，并在物料臺上抓取工件，然后把抓取到的工件輸送到指定地點后放下。抓取機(jī)械手裝置是一個能實現(xiàn)4種自由度運動的工作單元。該裝置被整體安裝在伺服傳動組件的滑動溜板上，并在同步帶傳動的帶動下做直線往復(fù)運動，定位到其他各工作單元的物料臺，然后完成抓取和放下工件的功能。要完成抓取和放置工件，機(jī)械手的準(zhǔn)確定位就非常關(guān)鍵。設(shè)計以西門子S7-200可編程控制器為控制中心，驅(qū)動松下伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機(jī)，伺服電動機(jī)通過同步帶傳動帶動機(jī)械手運動，可以實現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確位置控制[1]。

1 機(jī)械手位置控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

機(jī)械手位置控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方法對機(jī)械手的位置進(jìn)行控制。模塊化的好處是組態(tài)靈活、通用性強(qiáng)、硬件開發(fā)周期短、冗余量少、系統(tǒng)成本低；另外故障容易排除，排除故障的速度快[2]。系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計總框圖Fig. 1 Diagram of the total design of system structure

系統(tǒng)組成以西門子S7—200可編程控制器為控制核心，由觸摸屏、機(jī)械手位置檢測模塊、機(jī)械手位置控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等組成。

西門子S7—200可編程控制器是機(jī)械手位置控制系統(tǒng)的核心部分，輸送單元的PLC（主站）通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊從其它4個單元的PLC(從站)讀取其它4個單元的工作狀態(tài)，然后根據(jù)其它4個單元的工作狀態(tài)和各單元之間的距離，向機(jī)械手位置控制模塊發(fā)送運動方向信號和一定數(shù)量的脈沖，機(jī)械手位置控制模塊中的伺服驅(qū)動器控制伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)過一定角度，通過同步帶傳動帶動機(jī)械手完成一定的直線位移。在系統(tǒng)上電復(fù)位時，PLC控制機(jī)械手位置檢測模塊完成原點回歸[3]。

2 機(jī)械手位置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體介紹

設(shè)計分為機(jī)械手位置檢測模塊、機(jī)械手位置控制模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊三大模塊設(shè)計。

2.2 機(jī)械手位置檢測模塊

機(jī)械手位置檢測模塊主要由一個無觸點的電感式接近傳感器和兩個極限開關(guān)組成。接近開關(guān)用來提供直線運動的起點信號；左、右極限開關(guān)用于提供越程故障時的保護(hù)信號，當(dāng)機(jī)械手在運動中越過左或右極限位置時，極限開關(guān)會動作，從而向系統(tǒng)發(fā)出越程故障信號。

2.3 機(jī)械手位置控制模塊

機(jī)械手位置控制模塊主要由松下交流伺服驅(qū)動器、松下交流伺服電動機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器組成。輸送單元可編程控制器（晶體管輸出型）通過其輸出觸點Q0.0和Q0.1向伺服驅(qū)動器發(fā)出旋轉(zhuǎn)方向和一定量的旋轉(zhuǎn)脈沖信號（PTO）,伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機(jī)按要求的方向和角度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)過的角度并反饋給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器控制伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)過要求的角度。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

輸送單元和其它4個單元的可編程控制器通過RS-485通信接口和連接線路組成串行通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)。它們之間采用西門子S7-200可編程控制器自帶的PPI通信協(xié)議。在RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中，為了區(qū)別每一個設(shè)備，每個設(shè)備都有一個編號，稱為地址，輸送站PLC的地址為0，為主站，其它4個PLC為從站[4]。

2.5 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

系統(tǒng)硬件原理總體框圖如圖2所示。考慮到自動化生產(chǎn)線對機(jī)械手的位置要求不是很高，因此采用開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件在西門子S7-200可編程控制器基礎(chǔ)上外接設(shè)備：西門子觸摸屏、松下交流伺服驅(qū)動器、交流伺服電動機(jī)、傳感器和西門子網(wǎng)絡(luò)通信專用線。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖Fig. 2 The hardware system diagram

3 機(jī)械手位置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計方法。主要包括觸摸屏組態(tài)模塊和西門子S7—200 PLC模塊。觸摸屏組態(tài)模塊主要是完成與操作人員的交互功能，它主要控制系統(tǒng)的啟動、停止、復(fù)位、單機(jī)和聯(lián)機(jī)工作，從PLC的相關(guān)單元讀取信息并在屏幕上顯示[3]；可編程控制器模塊作為控制模塊，它包括系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)通信、位置控制幾部分。兩個模塊的關(guān)系是：觸摸屏組態(tài)模塊是指揮中心，決定整個系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)和流程；可編程控制器模塊按采樣的周期定時從網(wǎng)絡(luò)上讀取各單元的狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)啟動不同的位置控制子程序，并接收觸摸屏發(fā)送過來的命令對輸送單元進(jìn)行自動控制。

3.2 觸摸屏組態(tài)模塊

在上位計算機(jī)上用組態(tài)軟件完成組態(tài)設(shè)計，通過USB接口下載到觸摸屏。具體的組態(tài)設(shè)計過程包括以下步驟：創(chuàng)建工程、定義數(shù)據(jù)對象、畫面制作和設(shè)備連接和程序下載調(diào)試[5]。

3.3 可編程控制器模塊

主要包括主程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序和PTO位置控制程序。

3.3.1 主程序設(shè)計

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、與觸摸屏握手、調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信程序、調(diào)用PTO位置控制程序[6]。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信程序

網(wǎng)絡(luò)通信的功能：在位置控制系統(tǒng)工作過程中，輸送單元的PLC作為網(wǎng)絡(luò)通信的主站，不斷的從其它四個從站的存儲單元讀取其它四個單元的工作狀態(tài)，為輸送單元的PLC調(diào)用不同的位置控制程序提供依據(jù)[6]。

3.3.3 PTO位置控制程序

PTO位置控制程序包括位置控制程序的調(diào)用和五個PTO位置控制子程序。位置控制程序的調(diào)用主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的結(jié)果調(diào)用不同的PTO位置控制子程序；PTO位置控制控制子程序根據(jù)相鄰兩個單元之間距離確定不同的運動方式和脈沖數(shù)量，PTO位置控制子程序可采西門子step-7編程軟件提供的位控編程向?qū)址奖愕耐瓿伞?/p>

4 結(jié) 論

應(yīng)用PLC、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)通信，可以比較準(zhǔn)確的完成機(jī)械手的位置控制[7]。而且此位置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)量少，軟件編程應(yīng)用位置控制編程向?qū)В脖容^簡單。此位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，應(yīng)用方便。

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Automatic production line manipulator position control system design based on PLC

LIANG Xin-ping
（Department of Mechanical and Electrical Engineering,Xi’an Railway Vocational Technical Institute,Xi’an710014,China）

Automatic production line manipulator transmission workpiece between each production module, to realize accurate position control. Actuator automatic production line manipulator for servo motor, the Siemens S7-200 programmable controller as the control center, Panasonic servo drive, servo drive servo motor, servo motor through the synchronous belt drives the manipulator motion, accurate position control can realize the manipulator. The hardware structure is simple, the quantity is less, the software programming application of position control programming guide, is also relatively simple.

PLC; robotic arm; position control; design

TM921.5

A

1674-6236(2014)07-0086-02

2013-07-28稿件編號201307203

梁新平(1969—)，男，陜西洛南人，碩士，副教授。研究方向：電氣自動控制。