基于PLC的三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計_圖文

1、基于PLC的三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：伴隨著機電一體化在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，機械設(shè)備的自動控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。因此機械手就在這樣誕生了,機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一。其中的工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認識：它能部分地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)

2、機械化和自動化的步伐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)設(shè)計方案。方案中提出了步進電機在機械手定位應(yīng)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(jié)構(gòu)及軟件實現(xiàn)方法，并建立M("GS組態(tài)環(huán)境界面對系統(tǒng)的運行進行監(jiān)控。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，定位精確，具有較高的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：PLC；三自由度；機械手；步進電機；MCGS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(shè)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?qū)崿F(xiàn)三個

3、自由度方向(水平、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。    可編程控制器(PLC是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的進行數(shù)字運算操作的電子控制裝置。它是以微處理器為核心,綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的自動控制裝置,它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列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(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，電機的轉(zhuǎn)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(guān)系的存在，加上步進電機只

4、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(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。    機械手按驅(qū)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(shè)計的三自由度機械手屬于混合式機械手，它綜合了電動式和氣動式機械手的優(yōu)點，既節(jié)省了行程開關(guān)和PLC的IO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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)運動則由底盤直流電機的正反轉(zhuǎn)控制。機械手的夾緊

5、裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其夾緊與松開用氣壓驅(qū)動，并由電磁閥控制。    機械手可以根據(jù)設(shè)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(guān)，SQ3，SQ4為原點位置和終點位置的光接近開關(guān)。2 三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計    三自由度機械手系統(tǒng)設(shè)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。21 硬件設(shè)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(qū)動器選用SH-20403型模塊。機械手的外部接線圖如圖

6、2所示。機械手在最上面、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(guān)X20X27對應(yīng)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(Y2或Y3輸入時才會轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。22 軟件設(shè)計    在選擇單步、單周期和連續(xù)工作方式前，

7、系統(tǒng)應(yīng)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向右運動至右限位X2順時針轉(zhuǎn)動至光接近開關(guān)X3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(shè)定，具有可重復(fù)操作性。    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)定脈沖個數(shù)，指定脈沖輸出完后，指令執(zhí)行完成標志M8029

8、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(shè)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(qū)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(lǐng)域服務(wù)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。4 結(jié) 語    經(jīng)調(diào)試，步進電機的運轉(zhuǎn)無抖動和失步現(xiàn)象發(fā)生，機械手系統(tǒng)處于良好的運行狀態(tài)。三自由度機械手系統(tǒng)實現(xiàn)的只是三個