基于PLC的三自由度的機械手控制系統(tǒng)與設計要點

1、基于PLC的三自由度機械手控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘要：為了提高機械手在工業(yè)生產(chǎn)中定位的精度，介紹一種基于PLC的三自由度機械手控制系統(tǒng)的設計方案。方案中提出了步進電機在機械手定位應用中的一種新思路詳細論述三自由度機械手控制系統(tǒng)的硬件結構及軟件實現(xiàn)方法并建立MCGS組態(tài)環(huán)境界面對系統(tǒng)的運行進行監(jiān)控 。測試結果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，定位精確，具有較高的應用價值。關鍵詞：PL C三自由度 機械手 步進電機 MC GS組態(tài)環(huán)境。引言機械手是一種能模擬人的手臂動作，按照設定程序、軌跡和要求，代替人手進行抓取、搬運工件或操持工具的機電一體化自動裝置。三自由度機械手又稱 3D機械人，能夠實現(xiàn)三個自由度方向（水平、

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

3、氣動式機械手的優(yōu)點，既節(jié)省了行程開關和PLC的I/O端口，又達到了簡便操作和精確定位的目的。1三自由度機械手的系統(tǒng)結構與運動方式三自由度機械手為圓柱坐標型。圖1為機械手結構示意圖，機械手手臂的左右運動（水平方向）由伸縮步進電機控制， 上下運動（垂直方向）由升降步進電機控制， 逆時針和順時針旋轉運動則由底盤直流電機的正反轉控制。機械手的夾緊裝置采用關節(jié)結構，其夾緊與松開用 氣壓驅動，并由電磁閥控制。機械手可以根據(jù)設定程序的動作將工件從A處搬運到B處。SQ1 , SQ2 , SQ5, SQ6為水平和垂直方向上的限位開關，SQ3 , SQ4為原點位置和終點位置的光接近開關。2三自由度機械手控制系統(tǒng)設

4、計三自由度機械手系統(tǒng)設置了手動工作方式和自動工作方式。自動方式又分為自動回原點、單步、單周期、連續(xù)四種工作方式。匚機械手升降步進電機ah機械r夾展般宣圖1 三自由度機械手結構示意圖2. 1硬件設計主控制系統(tǒng)選用三菱 FX2N系列晶體管輸出型 PLC ,步進電機驅動器選用SH-20403型模塊。機械手的外部接線圖如圖2所示。起動匕限位右限位 鼠點位置光電接近開關 終點位置光電接近開關卜限位 先限付手動回原點 中方 中周期 連緘停止央案 松開卜降 上升左行 右行 逆時針轉動 順時針轉動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機械手央緊叮松升上F脈沖控制左右脈沖控制024 V12 Vo底盤直流電機正:轉段錯心流電機反轉圖2 機械手的外部接線圖機械手在最上面、最右邊，底盤轉至光接近開關X3處且夾緊裝置松開時稱系統(tǒng)處于原點狀態(tài)。X10為手動控制按鈕，按下該按鈕后，可以進行按鍵開關X20X27對應的手動操作。X11X15分別為自動方式中的回原點、單步、單周期和連續(xù)工作方式按鈕，按下其中的某一個按鈕，再按起動按鈕 X0,該工作方式的動作就會自動執(zhí)行。步進電機只有在有脈沖信號(Y0)和方向信號(

6、Y2或Y3)輸入時才會轉動，Y6, Y7選擇將脈沖信號 Y0送至哪個步進電機。Y5控制送氣電磁閥，實現(xiàn)夾緊裝置的夾緊與松開。Y10, Y11控制底盤直流電機的正反轉。2. 2軟件設計在選擇單步、單周期和連續(xù)工作方式前，系統(tǒng)應當處于原點狀態(tài)。如果不滿足這一條件，可以選擇回原點工作方式，該工作方式依次執(zhí)行以下操作：向上運動至上限位x1 一向右運動至右限位X* 順時針轉動至光接近開關 XA 夾緊裝置松開。機械手自動工作方式的順序功能圖如圖3所示。機械手手臂的運動速度由輸入步進電機的脈沖頻率控制，機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)場的實際情況在程序中設定，具有可重復操作

7、性。kM5M8OO2 + X I O-*-X I 1 )自動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指令設定脈沖個數(shù)，指定脈沖輸出完后，指令執(zhí)行完成標志M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系統(tǒng)中兩個步進電機均需要脈沖輸入，設計中采用兩個外部繼電器解決了該問題。將 Y0輸出的脈沖同時接至兩個繼電器動觸點，兩繼電器的常開觸點分別與兩塊步進電機驅動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來控制步進電機的脈沖輸入。3系統(tǒng)的MCGS組態(tài)環(huán)境MCGS是為工業(yè)過程控制和實時監(jiān)測領域服務

8、的通用計算機系統(tǒng)軟件，具有功能完善，操作簡便，可視性好，可維護性強的突出特點。圖4為三自由度機械手系統(tǒng)工作時的MCGS組態(tài)環(huán)境界面，它包括主界面、手動工作方式界面和自動工作方式界面。手動工作方式自動工作方式三自由及機械小控制度界而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_L作方式界面(a)匕界面F動工作方式界面機械手系統(tǒng)處于良好的運行狀態(tài)。三根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實際需要，可以對就能使之成為四自由度機械手控制系MCGS組態(tài)環(huán)境對機械手系統(tǒng)進行控制，電子工程學院廣西桂林圖4 機械手控制系統(tǒng)的MCGS界面4結語經(jīng)調試，步進電機的運轉無抖動和失步現(xiàn)象發(fā)生， 自由度機械手系統(tǒng)實現(xiàn)的只是