基于可編程控制器的機械手模型控制系統設計

李錄鋒

LI Lu-feng

（徐州建筑職業技術學院，徐州 221116）

0 引言

工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。機械手技術涉機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化保護人身安全，因而廣泛應用機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。可編程序控制器PLC控制的上下料機械手控制系統和繼電器接觸器控制系統相比具有動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統運行的可靠性，降低了維修率，提高了工作效率[1]。

1 PLC控制系統的硬件設計

機械手模型的PLC控制系統的硬件結構有：滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾、步進電機、直流電機、步進電機驅動器、傳感器、開關電源、電磁閥等電子器件組成。該系統是PLC技術、位置控制技術、氣動技術有機結合成一體的機械手模型控制系統[2]。

1.1 步進電機

該系統需要進行微量控制，可以實現微量控制的有：步進電機，直流伺服電機、交流伺服電機，但是對于后兩個，需要有精密的傳感器且必須構成閉環控制系統才可以實現微量控制，線路復雜，成本較大。而步進電機具有良好的低速運行和較寬的運行功能，而且具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉及其他任何運行方式的改變都可在少數脈沖內完成，且可獲得較高的控制精度，所以系統選用步進電機構成驅動系統，電機采用二相八拍混合式步進電機來控制機械手的動作，與直流電機相比有更好的制動效果，該電機和滾珠絲桿、滑桿配合，可以使機械手的運動更加穩定。

1.2 步進電機驅動器

步進電機驅動器有電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分等，利用驅動器可以很方便的對步進電機的轉速、方向進行控制。系統采用由AT89C2051組成的步進電機驅動器來驅動步進電機，AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7輸出，反相后進入放大環節，放大后控制光電開關，光電隔離后，由功率管將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和停止等動作。

驅動器參數如下表1、表2、表3、表4所示。

表1 電氣規格

表2 電流設定

表3 細分設定

表4 接線信號描述

圖1 PLC控制器與步進電機驅動器連接及工作原理

1.3 傳感器

該系統的基座和氣夾的正反轉限位采用接近開關，通過調整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定范圍內改變基座和氣夾的旋轉角度。機械手的伸縮、升降均采用行程開關來限位，并通過改變行程開關的位置來調節橫軸和豎軸的運動范圍[4]。

1）接近開關：接近開關有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當傳感器動作時，輸出端對地接通。PLC內部光耦與傳感器電源構成回路，PLC信號輸入有效，工作原理如圖2所示。

2）行程開關：當檔塊碰到開關時，常開點閉合。

圖2 傳感器工作原理圖

2 PLC控制系統的程序設計

2.1 I/O點數的確定及PLC類型的選擇

系統選用日本三菱公司生產的多功能小型FX1N-24MT-D主機，該機輸入點為14個，輸出點為10個[5]。可同時輸出兩路脈沖到步進電機驅動器，控制步進電機運行。由于機械手系統的輸入/輸出點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對PLC進行監控和管理，該機械手的控制為純開關量控制，且I/O點數不多，僅需11個輸入點和9個輸出點，考慮留有一定的裕量。

2.2 PLC的輸入/輸出點分配

根據機械手動作的要求及FX1N-24MT-D的特點，輸入、輸出點分配如表4所示。

2.3 控制系統設計.

機械手系統的程序總體結構如圖3，分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序等四部分。其中自動程序包括單步、連續運動程序，因它們的工作順序相同所以可將它們和編在一起。CJ（FNC00）是條件跳轉應用指令，指針標號PX是其操作數。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標號之間的程序，從指針標號處繼續執行，以減少程序執行時間。如果選擇“手動”工作方式，即 X0為 ON，X1為OFF則PLC執行完公用程序后將跳過自動程序到P0處，由于X0動斷觸點斷開所以直接執行“手動程序”。由于P1處的X1的動斷觸點閉合，所以又跳過回原位程序到P2處。如果選擇“回原位”工作方式，同樣只執行公用程序和回原位程序，如果選擇“連續”方式，則只執行公用程序和自動程序。

圖3 程序流程圖

3 抗干擾設計

為了保證系統在工業電磁環境中免受或減少內外電磁干擾，從設計階段開始便采取了三個方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統的抗干擾能力。

該控制系統的抗干擾措施有：

1）采用性能優良的電源，抑制電網引入的干擾。

2）硬件濾波及軟件抗干擾措施，信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

4 結束語

該系統的自動化程度高、工作可靠、穩定。控制系統采用單片機的直接控制結構，各模塊分工明確、整個系統安排合理、簡潔、功能明確、方便維修和故障處理；程序調試方便；軟、硬件抗干擾措施并重，該設計為機械手長期穩定工作提供了技術上的基本保障.為工業生產和其他領域內的人們工作安全提供了保障，同時也提高了工業生產的效率。

[1] 吳明亮,蔡夕忠.可編程控制實訓教材[M].北京：化學工業出版社, 2005.

[2] 張桂香.機電類專業畢業設計指南[M].北京：機械工業出版社, 2005.

[3] 瞿大中.可編程控制與實驗[P].華中科技大學出版社,2002.

[4] 殷建國.工廠電氣控制技術[M].北京：經濟管理出版社,2006.

[5] 廖常初.可編程序控制器應用技術(第四版)[M].重慶：重慶大學出版社, 2005：1-14.

[6] 王承義.機械手及其應用[M].北京：機械工業出版社, 1981：12-25.

[7] 陳懇,楊向東,劉莉,楊東超.機器人技術與應用[M].北京：清華大學出版社, 2006： 27-35.

[8] 吳建強.可編程控制器原理及其應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社, 1998：12-60.

[9] 郭洪紅.工業機器人技術[M].西安：西安電子科技大學出版社, 2006： 20-28.

[10] 張鳳珊.電器控制及可編程序控制器[M].北京：中國輕工業出版社.1999： 62-79.