基于S7―200PLC的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制

摘要：基于S7—200PLC村機(jī)械于的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一系列控制，這些運(yùn)動(dòng)包括手臂上下、左右直線運(yùn)動(dòng)，手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手爪夾緊動(dòng)作和機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。所采用的動(dòng)力機(jī)構(gòu)是步進(jìn)電機(jī)，能夠做到精確控制。在多個(gè)行程開關(guān)傳感器的保護(hù)下，保證了這些運(yùn)動(dòng)萬(wàn)無(wú)一失。

0 引言

工業(yè)機(jī)械手(以下簡(jiǎn)稱機(jī)械手)是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，越來(lái)越多地被研究和應(yīng)用。本設(shè)汁的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器S7—200PLC，具有編程簡(jiǎn)單、修改容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 機(jī)械手的選擇

根據(jù)古典力學(xué)的觀點(diǎn)，物體在三維空間內(nèi)的靜止位置是由三個(gè)坐標(biāo)或圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定的。因此，物體的位置和方向(即關(guān)節(jié)的角度)能從理論上求得。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，機(jī)械手的自由度不是盲目模仿人手的動(dòng)作來(lái)確定的，而是根據(jù)實(shí)際需要的動(dòng)作，設(shè)計(jì)出最少自由度的機(jī)械手來(lái)滿足作業(yè)要求。所以一般專用機(jī)械手(不包括握緊動(dòng)作)通常只具有2～3個(gè)自由度。而通用機(jī)械手則一般取4～5個(gè)自由度。本設(shè)計(jì)采用的機(jī)械手共有5個(gè)自由度。

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

2 動(dòng)力裝置的選擇

工業(yè)機(jī)械手要求精度非常高，所以本設(shè)計(jì)采用的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)宋控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

不過步進(jìn)電機(jī)需要在驅(qū)動(dòng)器的作用下才能正常工作，所以還要選擇驅(qū)動(dòng)器，本設(shè)計(jì)選擇的是價(jià)格便宜而又方便使用的中美合資SH系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，主要由電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等，實(shí)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(dǎo)線連接，注意極性。

信號(hào)輸入部分：信號(hào)源由PTO主機(jī)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(hù)電路。

輸出部分：與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接，注意相序。

3 傳感器的使用

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

近位開關(guān)：有3根連接線(紅、藍(lán)、黑)，紅色接電源正極、黑色接電源負(fù)極、藍(lán)色為輸出信號(hào)，當(dāng)與擋塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。

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

限位開關(guān)：當(dāng)擋塊碰到限位開關(guān)時(shí)動(dòng)作(常開點(diǎn)閉合)，選用型號(hào)：ASL-300M(機(jī)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(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)為空間內(nèi)兩點(diǎn)間的物件循環(huán)搬運(yùn)動(dòng)作。具體控制流程如下：開啟PLC，如果機(jī)械手不在初試位置上，步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)(M軸向手爪方向移動(dòng)，豎軸向下移動(dòng))，機(jī)座伺服電機(jī)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(biāo)系下對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，橫軸、豎軸步進(jìn)電機(jī)和機(jī)座伺服電機(jī)同時(shí)工作，橫軸向前伸，豎軸向上升，機(jī)座正轉(zhuǎn);當(dāng)步進(jìn)電機(jī)因脈沖輸完而中斷停止，伺服電機(jī)伸到位后，手腕電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手腕反向旋轉(zhuǎn);當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手爪夾緊，延時(shí)一段時(shí)間后，然后載入目的地所在位置在柱面坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，橫軸、豎軸步進(jìn)電機(jī)和機(jī)座伺服電機(jī)同時(shí)工作，返回到物件所在位置;手腕電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手腕正向旋轉(zhuǎn)，電磁閥復(fù)位，手爪松開延時(shí)一段時(shí)間;最后判斷主程序開關(guān)狀態(tài)，若仍然開啟，則開始下一周期的搬運(yùn)動(dòng)作?？刂屏鞒虉D見圖7所示。