基于S7―200PLC的機械手運動控制

摘要：基于S7—200PLC村機械于的運動進行一系列控制，這些運動包括手臂上下、左右直線運動，手腕旋轉(zhuǎn)運動，手爪夾緊動作和機械手整體旋轉(zhuǎn)運動等。所采用的動力機構(gòu)是步進電機，能夠做到精確控制。在多個行程開關傳感器的保護下，保證了這些運動萬無一失。

0 引言

工業(yè)機械手(以下簡稱機械手)是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，越來越多地被研究和應用。本設汁的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器S7—200PLC，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等優(yōu)點。

1 機械手的選擇

根據(jù)古典力學的觀點，物體在三維空間內(nèi)的靜止位置是由三個坐標或圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的。因此，物體的位置和方向(即關節(jié)的角度)能從理論上求得。在實際生產(chǎn)生活中，機械手的自由度不是盲目模仿人手的動作來確定的，而是根據(jù)實際需要的動作，設計出最少自由度的機械手來滿足作業(yè)要求。所以一般專用機械手(不包括握緊動作)通常只具有2～3個自由度。而通用機械手則一般取4～5個自由度。本設計采用的機械手共有5個自由度。

這五個自由度為機械手能夠做出手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓緊，該機械手示意圖如圖1所示。

2 動力裝置的選擇

工業(yè)機械手要求精度非常高，所以本設計采用的是步進電機，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)宋控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

不過步進電機需要在驅(qū)動器的作用下才能正常工作，所以還要選擇驅(qū)動器，本設計選擇的是價格便宜而又方便使用的中美合資SH系列步進電動機驅(qū)動器，主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等，實物圖和接線原理圖分別如圖2和圖3所示。

電源輸入部分：由電源模塊提供，用兩根導線連接，注意極性。

信號輸入部分：信號源由PTO主機提供。由于PTO提供的電平為24V，輸入部分的電平為5V，中間加了保護電路。

輸出部分：與步進電動機連接，注意相序。

3 傳感器的使用

采用近位開關作為手爪旋轉(zhuǎn)和底盤旋轉(zhuǎn)眼位檢測用;采用限位開關，作為橫軸、縱軸限位檢測用。

近位開關：有3根連接線(紅、藍、黑)，紅色接電源正極、黑色接電源負極、藍色為輸出信號，當與擋塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。

選用型號：ASL-300Q(磁感應式320)，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

限位開關：當擋塊碰到限位開關時動作(常開點閉合)，選用型號：ASL-300M(機械式310)，其結(jié)構(gòu)如原理圖5所示。

4 電氣接線圖

電氣接線圖如圖6所示。

5 控制流程設計

本次設計為空間內(nèi)兩點間的物件循環(huán)搬運動作。具體控制流程如下：開啟PLC，如果機械手不在初試位置上，步進電機開始運轉(zhuǎn)(M軸向手爪方向移動，豎軸向下移動)，機座伺服電機反向旋轉(zhuǎn)到零刻度位置。初始化完成后，首先載入物件所在位置在柱面坐標系下對應的脈沖數(shù)，橫軸、豎軸步進電機和機座伺服電機同時工作，橫軸向前伸，豎軸向上升，機座正轉(zhuǎn);當步進電機因脈沖輸完而中斷停止，伺服電機伸到位后，手腕電動機得電帶動手腕反向旋轉(zhuǎn);當傳感器檢測到限位磁頭時，電動機停止，PLC控制電磁閥動作，手爪夾緊，延時一段時間后，然后載入目的地所在位置在柱面坐標系下對應的脈沖數(shù)，橫軸、豎軸步進電機和機座伺服電機同時工作，返回到物件所在位置;手腕電動機得電帶動手腕正向旋轉(zhuǎn)，電磁閥復位，手爪松開延時一段時間;最后判斷主程序開關狀態(tài)，若仍然開啟，則開始下一周期的搬運動作?？刂屏鞒虉D見圖7所示。