《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PLC的四軸聯(lián)動簡易機械手控制系統(tǒng)
摘要: 步進電機驅(qū)動縱軸上升,另一個步進電機驅(qū)動橫軸開始向前走;轉(zhuǎn)盤直流電機轉(zhuǎn)動使機械手整體運動,轉(zhuǎn)到貨物接收處;步進電機再次驅(qū)動縱軸下降,到達指定位置后,氣閥放氣,機械手松開貨物;系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動作。
Abstract:
Key words :
四軸聯(lián)動簡易機械手的結(jié)構(gòu)及動作過程
  
    機械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示,有氣控機械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)(3)、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成。

 

    其運動控制方式為:(1)由伺服電機驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)角度為360°的氣控機械手(有光電傳感器確定起始0點);(2)由步進電機驅(qū)動絲杠組件使機械手沿X、Y軸移動(有x、y軸限位開關(guān));(3)可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)能帶動機械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動部分由直流電動機、光電編碼器、接近開關(guān)等組成);(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分;(5)氣控機械手的張合由氣壓控制(充氣時機械手抓緊,放氣時機械手松開)。
  
    其工作過程為:當(dāng)貨物到達時,機械手系統(tǒng)開始動作;步進電機控制開始向下運動,同時另一路步進電機控制橫軸開始向前運動;伺服電機驅(qū)動機械手旋轉(zhuǎn)到達正好抓取貨物的方位處,然后充氣,機械手夾住貨物。
  
    步進電機驅(qū)動縱軸上升,另一個步進電機驅(qū)動橫軸開始向前走;轉(zhuǎn)盤直流電機轉(zhuǎn)動使機械手整體運動,轉(zhuǎn)到貨物接收處;步進電機再次驅(qū)動縱軸下降,到達指定位置后,氣閥放氣,機械手松開貨物;系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動作。
  
二控制器件選型
  
    為達到精確控制的目的,根據(jù)市場情況,對各種關(guān)鍵器件選型如下:
  
1.步進電機及其驅(qū)動器
  
    機械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是北京四通電機技術(shù)有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進電機,步距角為0.9°/1.8°,電流1.5A。M1是橫軸電機,帶動機械手機構(gòu)伸、縮;M2是縱軸電機,帶動機械手機構(gòu)上升、下降。所選用的步進電機驅(qū)動器是SH-20403型,該驅(qū)動器采用10~40V直流供電,H橋雙極恒相電流驅(qū)動,最大3A的8種輸出電流可選,最大64細分的7種細分模式可選,輸入信號光電隔離,標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口,有脫機保持功能,半密閉式機殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境,提供節(jié)能的自動半電流方式。驅(qū)動器內(nèi)部的開關(guān)電源設(shè)計,保證了驅(qū)動器可適應(yīng)較寬的電壓范圍,用戶可根據(jù)各自情況在10~40VDC之間選擇。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機的高速力矩,但卻會加大驅(qū)動器的損耗和溫升。本驅(qū)動器最大輸出電流值為3A/相(峰值),通過驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第5、6、7三位可組合出8種狀態(tài),對應(yīng)8種輸出電流,從0.9A到3A以配合不同的電機使用。本驅(qū)動器可提供整步、改善半步、4細分、8細分、16細分、32細分和64細分7種運行模式,利用驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài)。
  
2.伺服電機及其驅(qū)動器
  
    機械手的旋轉(zhuǎn)動作采用松下伺服電機A系列小慣量MSMA5AZA1G,其額定輸出50W、100/200V共用,旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格為增量式(脈沖數(shù)2500p/r、分辨率10000p/r、引出線11線);有油封,無制動器,軸采用鍵槽連接。該電機采用松下公司獨特算法,使速度頻率響應(yīng)提高2倍,達到500Hz;定位超調(diào)整定時間縮短為以往松下伺服電機產(chǎn)品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全閉環(huán)控制功能,可彌補機械的剛性不足,從而實現(xiàn)高速定位,也可通過外接高精度的光柵尺,構(gòu)成全閉環(huán)控制,進一步提高系統(tǒng)精度。具有常規(guī)自動增益調(diào)整和實時自動增
  
    益調(diào)整兩種自動增益調(diào)整方式,還配有RS-485、RS-232C通信口,使上位控制器可同時控制多達16個軸。伺服電機驅(qū)動器為A系列MSDA5A3A1A,適用于小慣量電動機。
  
3.直流電機
  
    可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)有直流無刷電機帶動,系統(tǒng)選用的是北京和時利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無刷直流電機,其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無刷直流電機驅(qū)動器使用北京和時利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動器,其采用24~48V直流供電,有起停及轉(zhuǎn)向控制、過流、過壓及堵轉(zhuǎn)保護,且有故障報警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動快速停機等特點。
  
4.旋轉(zhuǎn)編碼器
  
    在可回旋360°的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)上,安裝有OMRON公司生產(chǎn)的E6A2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器,編碼器將信號傳給PLC,實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的精確定位。
  
5. PLC的選型
  
    根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求,選用OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A小型機。CPM2A在一個小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能,包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設(shè)定和時鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個獨立單元,能處理廣泛的機械控制應(yīng)用問題,所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品。完整的通信功能保證了與個人計算機、其它OMRON PC和OMRON可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯(lián)動簡易機械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中。
  
三軟件編程
  
1.軟件流程圖

 

流程圖是PLC程序設(shè)計的基礎(chǔ)。只有設(shè)計出流程圖,才可能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語句表,最終完成程序的設(shè)計。所以寫出流程圖非常關(guān)鍵也是程序設(shè)計首先要做的任務(wù)。依據(jù)四軸聯(lián)動簡易機械手的控制要求,繪制流程圖如圖2所示。
  
2.程序部分

 

    由于論文篇幅有限,這里只列出了開始兩段程序,供讀者參閱,見圖3。

 

四結(jié)束語

    四軸聯(lián)動簡易機械手的各個動作和狀態(tài)都由PLC控制,不僅能滿足機械手的手動、半自動、自動等操作方式所需的大量按扭、開關(guān)、位置檢測點的要求,更可通過接口元器件與計算機組成PLC工業(yè)局域網(wǎng),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)控制。使四軸聯(lián)動簡易機械手能方便地嵌入到工業(yè)生產(chǎn)流水線中。 

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