基于PLC的三自由度的機(jī)械手控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：為了提高機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中定位的精度，介紹一種基于PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。方案中提出了步進(jìn)電機(jī)在機(jī)械手定位應(yīng)用中的一種新思路詳細(xì)論述三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件實(shí)現(xiàn)方法并建立MCGS組態(tài)環(huán)境界面對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控 。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，定位精確，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：PL C三自由度 機(jī)械手 步進(jìn)電機(jī) MC GS組態(tài)環(huán)境。引言機(jī)械手是一種能模擬人的手臂動(dòng)作，按照設(shè)定程序、軌跡和要求，代替人手進(jìn)行抓取、搬運(yùn)工件或操持工具的機(jī)電一體化自動(dòng)裝置。三自由度機(jī)械手又稱 3D機(jī)械人，能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度方向（水平、

2、垂直和旋轉(zhuǎn)）的抓取或放置物品，具有操作范圍大，靈活性好，應(yīng)用廣 泛的特點(diǎn)?？删幊炭刂破鳎≒LC）是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高，功能強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，人機(jī)交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)目。 這一線性關(guān)系的存在， 加上步進(jìn) 電機(jī)只有周期性誤差而無累計(jì)誤差的特點(diǎn)，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式機(jī)械手。本文設(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械手屬于混合式機(jī)械手，它綜合了電動(dòng)式和

3、氣動(dòng)式機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)，既節(jié)省了行程開關(guān)和PLC的I/O端口，又達(dá)到了簡(jiǎn)便操作和精確定位的目的。1三自由度機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方式三自由度機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型。圖1為機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)械手手臂的左右運(yùn)動(dòng)（水平方向）由伸縮步進(jìn)電機(jī)控制， 上下運(yùn)動(dòng)（垂直方向）由升降步進(jìn)電機(jī)控制， 逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由底盤直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。機(jī)械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其夾緊與松開用 氣壓驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制。機(jī)械手可以根據(jù)設(shè)定程序的動(dòng)作將工件從A處搬運(yùn)到B處。SQ1 , SQ2 , SQ5, SQ6為水平和垂直方向上的限位開關(guān)，SQ3 , SQ4為原點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的光接近開關(guān)。2三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)

4、計(jì)三自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)置了手動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。自動(dòng)方式又分為自動(dòng)回原點(diǎn)、單步、單周期、連續(xù)四種工作方式。匚機(jī)械手升降步進(jìn)電機(jī)ah機(jī)械r夾展般宣圖1 三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖2. 1硬件設(shè)計(jì)主控制系統(tǒng)選用三菱 FX2N系列晶體管輸出型 PLC ,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用SH-20403型模塊。機(jī)械手的外部接線圖如圖2所示。起動(dòng)匕限位右限位 鼠點(diǎn)位置光電接近開關(guān) 終點(diǎn)位置光電接近開關(guān)卜限位 先限付手動(dòng)回原點(diǎn) 中方 中周期 連緘停止央案 松開卜降 上升左行 右行 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)X0YOXIY2X2X3Y3X4X5Y4X6XI。Y5XI 1XI2Y6XI3X,4FX2N-48MT Y7X15

5、X20COM IX21X22COMOX23X24COM2X25X26YiOX27COMYll輸出收沖I ,卜力向控制左右方向控制脫機(jī)機(jī)械手央緊叮松升上F脈沖控制左右脈沖控制024 V12 Vo底盤直流電機(jī)正:轉(zhuǎn)段錯(cuò)心流電機(jī)反轉(zhuǎn)圖2 機(jī)械手的外部接線圖機(jī)械手在最上面、最右邊，底盤轉(zhuǎn)至光接近開關(guān)X3處且夾緊裝置松開時(shí)稱系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。X10為手動(dòng)控制按鈕，按下該按鈕后，可以進(jìn)行按鍵開關(guān)X20X27對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作。X11X15分別為自動(dòng)方式中的回原點(diǎn)、單步、單周期和連續(xù)工作方式按鈕，按下其中的某一個(gè)按鈕，再按起動(dòng)按鈕 X0,該工作方式的動(dòng)作就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行。步進(jìn)電機(jī)只有在有脈沖信號(hào)(Y0)和方向信號(hào)(

6、Y2或Y3)輸入時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，Y6, Y7選擇將脈沖信號(hào) Y0送至哪個(gè)步進(jìn)電機(jī)。Y5控制送氣電磁閥，實(shí)現(xiàn)夾緊裝置的夾緊與松開。Y10, Y11控制底盤直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。2. 2軟件設(shè)計(jì)在選擇單步、單周期和連續(xù)工作方式前，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。如果不滿足這一條件，可以選擇回原點(diǎn)工作方式，該工作方式依次執(zhí)行以下操作：向上運(yùn)動(dòng)至上限位x1 一向右運(yùn)動(dòng)至右限位X* 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至光接近開關(guān) XA 夾緊裝置松開。機(jī)械手自動(dòng)工作方式的順序功能圖如圖3所示。機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)速度由輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率控制，機(jī)械手下降及左行的距離由脈沖數(shù)控制，脈沖頻率和脈沖數(shù)可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況在程序中設(shè)定，具有可重復(fù)操作

7、性。kM5M8OO2 + X I O-*-X I 1 )自動(dòng)工作方或妁順序功能圖本系統(tǒng)采用的是 PLC梯形圖順序編程的方法。其中以 PLSY脈沖輸出指令輸出脈沖，用 MOV指令設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)，指定脈沖輸出完后，指令執(zhí)行完成標(biāo)志M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系統(tǒng)中兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)均需要脈沖輸入，設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)外部繼電器解決了該問題。將 Y0輸出的脈沖同時(shí)接至兩個(gè)繼電器動(dòng)觸點(diǎn)，兩繼電器的常開觸點(diǎn)分別與兩塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端相連，Y6, Y7接到兩繼電器的控制端，這樣就可以通過Y6, Y7來控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入。3系統(tǒng)的MCGS組態(tài)環(huán)境MCGS是為工業(yè)過程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域服務(wù)

8、的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件，具有功能完善，操作簡(jiǎn)便，可視性好，可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。圖4為三自由度機(jī)械手系統(tǒng)工作時(shí)的MCGS組態(tài)環(huán)境界面，它包括主界面、手動(dòng)工作方式界面和自動(dòng)工作方式界面。手動(dòng)工作方式自動(dòng)工作方式三自由及機(jī)械小控制度界而I 門："i:孱 i 鼻;照 I f ET.一尸七:M七匚1U; ： ：M謳國工界，(c)自動(dòng)_L作方式界面(a)匕界面F動(dòng)工作方式界面機(jī)械手系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。三根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，可以對(duì)就能使之成為四自由度機(jī)械手控制系MCGS組態(tài)環(huán)境對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行控制，電子工程學(xué)院廣西桂林圖4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的MCGS界面4結(jié)語經(jīng)調(diào)試，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)無抖動(dòng)和失步現(xiàn)象發(fā)生， 自由度機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的只是