PLC对机械手的定位控制.pdf

第 4期 总第 1 7 3期 2 0 1 2年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT MATI N NO ．4 Au g． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 4 0 1 3 5 0 3 P L C对机械手的定位控制 王 亮 ，李 虹 太原科技大学 电子信息X - 程 学院 ，山西 太原 O 3 O O 2 4 摘要 介绍 了西门子 S 7 2 0 0 P L C对机械 手的加减速 控制方法。首先介绍 了系统的现有功能和特 性，通过 改 变对伺服电机驱动器 的控制来实现对机械 的精确 定位。该 系统具有 占用 P I C接 口少 、可 靠性 高的特点 ，适 用于教 学实践和工业应用。 关键词 P L C；机械 手；伺服 电机 ；定位控制 中图分 类号 T P 2 4 1 文献标识 码 A 0 引言 机械手是随着工业机械化 、 自动化而发展起来的 一 种装置 ， 具有结构简单 、 运动迅速、 可靠性高、 节能环 保 的特点 ， 目前 已经 在 各行 业 得 到 了广泛 的应 用 。机 械手的应用可以大幅度减少人工重复操 作， 降低生产 过程 中的危险系数 ， 极大地提高生产效率与工作精度。 此外 ， 机 械手 还能在 无 人 区 或对 人 有 害 的环 境 中正 常 工作 ， 因此对机械手进行研究对 于提高人们 的生产生 活具有十分重要的意义 。 可编程控制器 P L C 是在计算机技术 、 通信技术 和继 电器 控制 技术 的发 展 基 础 上 开 发 出 来 的 ， 现 已广 泛应用于工业控 制的各个领域。它 以微 处理器为核 心， 采用编写程序进行逻辑控制、 定时、 计数和算术运 算等 ， 并通过数字量和模拟量的输入／ 输 出来控制机械 设 备或 生 产 过 程 。本 文 介 绍 基 于 德 国西 门 子 S 7 2 0 0 P L C开 发的机 械手 定位 控制 系统 。 1 系统 结构和 功 能介绍 该机械手控制 系统 的硬件包括 s 7 2 0 0 P L C E 、 东 元 TS B伺 服 电 机 、 伺 服 电机 驱 动 器 、 电 磁 阀 、 继 电 器 、 电缸 、 气 缸 、 限位 开关 、 工位 及工 件 、 机 械 手指 、 往复 活塞 式 空 气 压 缩 机。系 统 中 采 用 V 4 ． 0 S TE P 7 Mi c r o WI N S P 7对 P L C进行 编程 。 1 ． 1 系统控 制 的 目的及 内容 系 统通 过 S 7 2 0 0 P L C控制 机械 手实 现对 物 品多 个 自由度方 向 水 平 、 垂 直 、 左右 、 旋转 的抓取 或放 置 ， 通过 P L C编程 实现 8个工位之 间复杂的控制运 动。 在该实验 中给 出的是其 中一种典 型的运行方式 ①把 工位 A 的工件搬到工位 B 处 ； ②把工位 B 。的工件 搬到工位 A 处； ③把工位 B 的工件搬到工位 B 。 处 ； ④ 当一个 运行 周期完 成后 会 自动重 复运行 。 系统控制的内容包括 ①通过 P L C控制器以脉冲 的方 式控 制伺 服 电机 精 确 运 行 ； ② 各 运行 情 况 下 实 现 机械手在导轨上的移动速度、 方 向、 目标位置等的精确 控制 ； ③通过上位机给 P L C编程， 实现智能工件的定 位传送功能； ④机械手复杂控制动作的编程实现 。 该控制具有多个考察 目标 ， 首先是对机械手横、 纵 2 个 电缸导轨方向的精确定位和 3 个气缸阀门执行步 骤 的控制 ， 如果 工位 和 机 械手 此 时 的 位置 误 差 超 过允 许范围， 则无法完成后续的动作 。 1 ． 2 系统 电路 图 系统电路图如图 1所示 。图 1中， Q o ． 0为横 向高 速脉冲信号 ， Q O ． 1为纵向高速脉冲信号， Q 1 ． 0为横向 方向信号， Q1 ． 1 为纵向方 向信号， Q o ． 2为上下气缸信 号， Q o ． 3为开合气缸信号， Q o ． 4为旋转气缸信号。 1 ． 3 系统 中各 装置 的工 作状 态 1 P L C程 序模 块通 过 RS 一4 8 5协 议下 载 到 C P U 中， 作为控制器负责信号的输出， 对机械手的每 个 动作 一一 发 出指令 并进行 控制 。 2 伺服电机及相应驱动器作为控制系统的执行 机构， 负责机械手 的精确定位及系统的工作效率。伺 收稿 日期 l 2 0 1 2 0 2 2 8 }修回 日期 ；2 0 1 2 0 3 2 7 作 者简介 ，王亮 1 9 8 7 - ，男 ，湖北孝感人 ，在读硕士研究生 ，研究方 向为控制理论 与控制工程。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2年第 4期 服驱动器接 收 QO ． 0 、 QO ． 1 、 Q1 ． 0 、 Q1 ． 1以及 限位开 关的信号来控制电机转动的方向和速度。在伺服驱动 器上通过设定参数来确定整个系统的运行模式。 3 空气压缩机 为整个系统 的气 动部分提供 动 力 ， 在系统运行前必须保证空气压缩机 中的气压达到 要求 ， 否则机械手在运行过程中会出错 。 4 电磁 阀和继电器共 同完成对机械手的开合 、 旋转 、 夹紧动作的控制。继 电器把从 P L C发出的低电 平信号转换成能驱动电磁 阀的高电平信号 ； 电磁 阀则 用来控制空气压缩机产生的气流， 通过气缸来控制机 械手的开合、 旋转、 夹紧。 5 限位开关用来辅 助控制 电机 的转动 ， 从而 限 制机械手移动的距离 。当限位开关被触动时会发出信 号给伺服驱动器的正转 或反转 禁止端 口， 让电机 立 即停止转动。限位开关在整个系统中起到保证系统正 常运作 和保护设备的作用 。 6 伺服电缸是将伺服电机与丝杠进行一体化设 计的模块化产品， 将伺服电机 的旋转运 动转换成直线 运动 ， 同时将伺服 电机 的精确转速 控制、 精确转数 控 制、 精确扭矩控制转 变成精确速度控 制、 精确位置 控 制、 精确推力控制 ， 实现高精度直线运动。该系统中包 含横 向和纵向两个伺服电缸 。另外 ， 该系统 中有 3个 气缸分别控制机械手的开合 、 旋转、 夹紧。 图 1系统 电路 图 2 机械手定位控制方法 现有 的控制 方法 是先 由 P L C发 出所需 个数 的 P T O脉 冲给电机驱动器 ， 然后 由驱动器控制 电机按给 定的脉 冲个 数运转 。其 中， 横 向为 1 6 5个 脉冲 对应 1 mm的移动距离， 纵 向为 8 5个脉 冲对应 1 mm 的移 动距离。电机运行的速度由发 出的 P T O脉 冲的频率 决定 引。由于该程序 中机械手都是 以恒定 的速度移 动 ， 以至于在开始和停止的时候都会产生冲击 ， 特别是 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 4期 王亮。 等 P L C对机械手的定位控制 1 3 7 在短距离移动时尤为突 出， 这样不仅对器件造成损害， 同时 也增 大 了误差 。 伺服电机驱动器一般具有 多种控制模式 ， 如位置 模式 外部脉波命令 、 位置模式 内部脉波命令 、 速度 模式 、 转矩模式等。针对该系统而言位置控制模式 中 的外部脉波命令更加合适 。为提高控制效率， 实现对 现场 运行 情况 的反 馈 ， 笔 者 采 用 伺 服 电机 自带 的 编 码 器作为检测装置口 ] ， 使编码器输出的信号通过驱动器 进行分周 比处理反馈到 P L C， 这样便能知道现场的实 时运行状态， 从而实现更好 的控制。其信号反馈图见 图 2 。 叵 码 图 2信 号 反馈 图 分周 处理 表示 将 马达 的编码 器旋 转一 周所 出现 的 脉波信号个数转换成 C n O 0 5预设的脉波信号个数 ， 其 预设值一般为 1 ， 适用于任何控制模式[ 4 ] 。 3系统 软件 设计 考虑到系统的平稳性和易操作性 ， 在 电机运行时 采用直线加减速算法[ 5 ] 。在加速过程中采用采样插补 法， 即把伺服电机加速所用的时间离散化 ， 然后在每个 时间段内增加 P TO脉 冲的频率 ， 从 而实现速度 的平 稳增加。匀速段则以系统给定的速度运行 。考虑到机 械误差等因素 ， 在减速段 的时候采用使机械手渐近 目 标点的方法， 而不是传统 的减速运行到速度 为零 。系 统程序流程图如图 3所示 。其 中， P ， 为系统给定脉冲 个数与驱动器反馈脉冲个数之差 ， 为机械手速度从 0到 所需要的脉冲， V 为机械手实时运行速度， 为低频信号下机械手的运行速度 ， 、 ／ r 为高频信号下机 械手的速行速度 ， s 为一给定常数 ， 用于判断 P L C是否 向驱动器发出停止信号。 该 控制 方法 中加 速 运 动 时 的 加 速度 给定 ， 减 速运 动的时候是每次输出脉冲差值的百分比， 使反馈脉冲不 断减小， 直到 P 小到一个可 以忽略的值， 该值 即为 s ， 经实验证明一般取 ￡ 为 2 0 3 0较为合适。 图 3系统 程序 流 程 图 4结论 采用 P L C中的 P TO脉冲信号能很好地实现对 电 机的变速控制， 通过实验证明该方法能有效减小系统 的冲击 ， 增加系统的精度 ， 而且 电路结构简单 ， 可操作 性强。该系统在搬运工作中能满足实际需求 。 参考文献 [ 1 ] 张万忠． 刘明芹． 电器与 P L C控制技术[ M] ． 北京 化学工 业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 韩建海． 工业机器人[ M] ． 武汉 华 中科技大学出版社， 2 009 ． [ 3 ] 孙建忠， 白凤仙． 特种电机及其控制[ M] ． 北京 中国水利 水 电出版社 ． 2 0 0 5 ． [ 4 ] 蒋刚． 龚迪琛， 蔡勇． 等． 工业机器人[ M] ． 成都 西南交通 大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 5 ] 刘艳霞 ， 桑兆辉． 基于 A RM 芯 片 3 C 4 5 1 0的步进 电机加 减速控制[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ． 7 5 1 8 0 1 8 1 ． Po s i t i o n i n g Co nt r o l o f M a n i p u l a t o r wi t h PLC W ANG Li a n g．LI Ho ng S c h o o l o f El e c t r o n i c I n f o r ma t i o n En g i ne e r i n g， Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r p r e s e n t s a n a c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n c o n t r o l me t h o d f o r ma n i p u l a t o r wi t h S ie me n s S 7 2 0 0 P L C．F i r s t ．t h e f u n c t i o n s a n d f e a t u r e s o f t h e e x i s t i n g s y s t e m a r e i n t r od u c e d． t h e n c h a n g i n g t h e s i g n a l t o t h e s e r y o mo t o r d r i v e r a c h i e v es p r e c i s e p o s i ti o n i ng o f ma n i p u l a t o r ． Th e s y s t em i s o f l e s s P L C i n t e r f a c e s h i g h r e l i a b i l i t y ，c a n b e u s e d i n p r a c ti c e t eac hing a nd i n d u s t ria l a p p l i c a t i o n s ． Ke y wo r d s P LC；ma n i p u l a t o r ；s e r v o mo t o r ；p o s i t i o n i n g c o n t r o l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m