基于PLC控制的二维通用机械手设计研究.pdf

I 造 甸 似 基于P L C 控制的二维通用机械手设计研究 De si gn of t w o - di m ensi onal gen er al - pur pos e r ob ot bas ed on PLC 晏永红 YAN Y on g ． h o n g 武汉工业学院 工商学院 信息工程系．武汉 4 3 0 0 6 5 摘要 ；二维通用机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，本文首先介 绍机械手的设计要求。然后，对机械手控制方式进行研究，给出各部分的实现方案。最后， 进行P L c 控制系统的软件程序设计。 关键词机械手；可编程控制器P L C；控制程序 中圈分类号T H 1 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 o l 2 1 2 下 一 0 1 2 7 ～ 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． 1 s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 2 下 ． 3 6 0 引言 二维通用机械手是一种可仿人操作 、可 自动 控 制、重复编程 、能在二维平面内完成各种作业 的机 电一体化 自动化生 产设备 。随着现代工业技 术的发展，工业自动化技术越来越高，一些重复 的工作由机械手远程控制或自动完成不仅可提高 生产效率 、降低生产成本 ，同时也可以避免一些 人不能接触的物质对从业者身体造成伤害。 1 设计要求 二维机械手 的机 械本体包括手指、手臂和躯 干。像人 手一样 ，机 械手 的手指处 于手 臂前部 ， 通过移动 、打开和关 闭三种基本动 作组 合实现抓 紧的动作。手臂具有伸缩功能 ，可 以调 节手指到 躯干的距离 ，同时可以将躯干 的旋 转动作 传递给 手指。手臂伸缩 与旋 转动作 的结合 可以将手指移 动到工件 的位置。躯干是安装手臂、动 力源和 各 种执行机构的机架。 本文 的设计要求 是机械手开 始运行后，首 先进行 初始化 。机 械手 的初 始化 包括三个 动作 ， 手爪手指张开到最大、手臂缩 回到初始位置 以及 手臂横纵方向归零。为节省初始化的时间，要求 这三个动作 同时进行。机 械手运 行时，首先根据 工件位置计算手臂伸缩电机步数、躯干旋转电机 步数 ，要求伸缩 、旋转 同时进行 ，将手指移动到 工件正 上方 5 c m处 。第二 ，手臂纵 向下移至手掌 上 的传感器检测到工件。第三，P L C控制手指收 紧至手指上的传感器检测到工件 ，暂停 l s后机械 手带动工件纵 向上 移 5 c m。第 四，根据 目标位置 计算手臂伸缩电机步数、躯干旋 转电机 步数，将 工件准确安置到 目标位置 ；第五、延时 l s 后 ，手 抓 手指张 开到最 大释 放工件。机械手开始下一个 循环的运动。 2 设计方案 本文设计的二维通用机械手共有 4个 自由度。 依次为手臂前后伸缩、手臂上下移动、躯干水平 旋转、手指的抓紧与松开 。因此 ，本 文的设计要 求可以总结为； 1 手爪夹紧动作。 2 手臂伸缩运动。 3 躯干旋转运动。 2 ． 1手爪夹紧动作 机械 手 的手爪 实际上就 是一 个移动 的卡 具。 不仅要求卡具卡紧的力度适中，而且卡紧的速度、 准确度也要满足需求。本文设 计的手抓是 由 P L C 控制手指的张开和 闭合。手指和手 掌分别安装传 感器负责感应手指与工件的距离。 2 ．2 手臂伸缩运动 手臂是连接手爪和躯干 的主要部分。本 文设 计的手臂可执行纵向移动和前后伸缩运动 ，可以 实现手臂伸缩和升降的运动。手臂伸缩和升降时 ， 计算 步进 电机需要转动的步数。由 P L C发 出信号 控制电机 带动丝杠运动 实现机械 手的伸缩和升降 运动 。丝杠 、螺母结构应用于机械手 的传动 中可 以使机械手牢靠、准确度高、效率高。 2 ．3躯干旋转运动 躯 干是整个机械手 的支撑机构 ，负责支撑手 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 - 1 4 作者简介晏永红 1 9 6 9 -，女，讲师，硕士，主要从事电气工程及 自动化方向的研究。 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 - 1 2 下 [ 1 2 7 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 泣 訇 似 臂和手爪，同时可以 自转并带动手臂手爪在水平方 向旋转。躯干旋转时由步进电机带动一个旋转编码 盘，每旋转三度发出一个脉冲，由传感器检测并送 入 P L C计算躯干旋转的角度。同时 ，在躯干上装 有限位开关 ，控制最大旋转角度不能超过 1 8 0度。 3 控制系统 3 ． 1 P L C 的选择 对 于本设计 中的被控对 象，要求选用的 P L C 系统 与其他形式的控制 系统相比 ，具有较好 的性 价 比，使用和维修方便 ； P L C主机和配置、控制功 能等必须能满足被控对象的各种控制要求 ； P L C主 机及配置必须是功能较强的新一代 P L C机型。若 采用三菱公司的 P L C，则选 F X系列，不选 F 1系 列。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在 满 足确定的要求外 ，留有一定的余量 ；确保整个 控制 系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度 ， 以及 编程 指 令 的易 懂性。在 此 ，本 文选 用 三菱 F X1 N来做控制核心。 3 ．2 P L C 梯形图中的编程元件 设计选用 F X1 N 一6 0 MR，其输入继电器 X 3 6点 ，输 出继 电器 Y 2 4点，辅助继电器 M 3 8 4 点 ，状 态 继 电 器 s l o o o点 ，定 时 器 T 2 5 6点 ， 计数器 C ，数据寄存器 D 等。 特殊辅助继电器 M8 0 0 运行监控 P L C运行时自动接通， 停止时断开 ， M8 0 0 2 初始脉冲 仅在 P L C运行开始时 接通一个扫描周期 ； M8 0 0 5 P L C后备锂电池电压过低时接通 ； M8 0 1 l 1 0 ms 时钟脉冲； M8 0 1 3 l 0 0 ms 时钟脉冲 l M8 0 1 2 l s 时钟脉冲； M8 0 1 4 1 I l 1 i n时钟脉冲。 3 ． 3 P L C的I ， O分配 根据机械手动作的要求，输入、输 出分配如 表 1 所示。 4 控制系统软件设计 机械手控制 系统 总体流程分 为主程序 、自动 程序 、手动程 序和初始化程 序共 四个部分 。主程 序包含 自动程序、手动程序和初始化程序的共同 部分，是每个程序都需要经历的设置。自动程序 [ 1 2 8 1 第3 4 卷第1 2 期2 o 1 2 -1 2 下 表1 P L C 输入， 输出分配表 输入信号 输出信号 手动 S A X O ’ o YO 上升／ 下降步进 回原位 S A X1 Y A1 Y1 电机 连续 S A X2 Y A2 Y 2 回原位 S B1 X3 YA 3 Y 3 前进， 后退步进 启动 S B 2 X 4 Y A 4 Y 4 电机 停 止 S B 3 X5 Y A 5 Y5 下降 S B 4 X6 夹紧 ’ 6 Y6 上升 S B5 X7 手顺转 Y A7 Y7 夹紧 S B 6 Xl O 手逆 转 Y A8 Yl O 松开 S B 7 X1 1 底盘顺转 Y A9 Yl 1 手顺转 S B8 X1 2 底盘逆转 Y A1 0 Y1 2 手逆转 S B9 X1 3 底盘顺转 S B l 0 X1 4 底盘逆转 S B1 1 X1 5 下限位 S Q1 X1 6 上限位 S Q2 X1 7 前限位 S Q3 X 2 O 后限位 S Q4 X2 1 底盘顺限位 S Q5 X 2 2 底盘逆限位 S Q6 X2 3 手顺限位 S Q 7 X 2 4 手逆限位 S Q8 X 2 5 底旋转脉冲 X2 6 前 行 S Bl 2 X3 0 后退 S B1 3 X3 1 包括单步控制程序和连续控制程序。如果控制方 式设 置为 “ 手动”方式 ，则 P L C执行完主程序后 将跳过 自动程序 ，直接执行 “ 手动程序” 。如果设 置为 “ 初始化”方式 ，执行完主程序后，执行回原 位程序。如果设置为 “ 连续”方式 ，则 只执行主程 序和 自动程序。 4 ． 1 主程序 主程序流程图如图 l 所示，当Y 6 复位 电磁 阀松开 、后限位 X 2 1 和上限位 X 1 7 接通时，辅 助继 电器 M0变为 O N，表示机械手在原位。如果 开始执行用户程序 M8 0 0 2 为 O N 、系统处于手 动或回原位状态 X 0或X1 为 O N ，那么初始步 对应的 M1 0被置位，连续工作方式做好准备。如 果 M0为O F F ，M1 0被复位，系统不能进入连续 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 甸 地 2 图1 主程序梯形图 工 作方式。指令 Z RS T是成批复 位应用指令 ，以 防止 系统从 自动方式 转换手动方式 ，再返 回自动 方式时 出现两种不同的活动步。 4 ． 2 自动操作程序 自动操作顺序功能流程图见图 2所示。当机 械 手处 于原 位时 ，按 X4启动 ，状 态转 移到 S 1 ， 驱动前伸 Y3 ，当到达前限位使行程开关 X2 0 ，状 态转移 到 S 2 ，而 S 1自动 复位。驱 动手顺转 Y 7 ， X2 4接通 ，状态转移到 S 3 ，驱动下降 Y2 ，X1 6接 通 ，状态转移到 S 4 ，S 4驱动 Y 6置位 ，延时 1 秒 ， 以使 电磁力达到最大夹紧力。当 T 0接通 ，状态转 移到 S 5 ，驱动 Y 0上升 ，当上升到达最高位 ，X1 7 接通 ，状态转移到 S 6 。S 6驱动 Y4后退 。 移到后限位，状态转移到 S 7底逆转 Y1 2 ，状 态到 S 8 ，X2 0接通 ，状态转移到 S 9下降。下降到 最 低位，X1 6接通 ，电磁 铁放松。为 了使 电磁力 完全失掉 ，延时 1秒。延时时 间到 ，T 1接通 ，状 态 转 移到 S 1 1 上 升。上升 到 最 高 位 ，X2 5接 通， 状态转移到 S 1 3后退。后退到后限位 ，使 X2 1 接 通 ，状态转移 到 S 1 4 ，底盘顺转 是 X2 1接通 ，返 回初始状态 ，再开始第二次循环动作。 4 ． 3手动单步操作程序 手动程序说 明用对应机械手 的上下前 后移 动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮 ，机械 手执 行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线位 置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置 移动时碰撞其他工件。为保证系统安全运行，程 序之间还进行必要的连锁。图 3 是手动单步操作 图2 自动的功能流程图 程序部分流程图。 4 ． 4 回原位程序 在 系统处于 回原位工作状态时 ，按下回原位 按 钮 X 3 ，M3变 为 ON，机 械 手 松 开 和 上升 ， 当升到上 限位 X1 7变为 O N ，机械手后退 ，直 到后限位 X 2 1 为O N 才停止，并且 M3 复位。 5 结束语 本文的控制方案可以实现机械手自动和手动 控制下二维空 间的 自由运动 。采用 P L C进行工业 机械手模型运行控制，简化了控制系统的硬件结 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 下 [ 1 2 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 匐 出 M 5 9 I● r 、，n 1 1 I ⋯V X 1 0 l 3 0 M 8 0 1 2 0 7 X0 2 1 xo 2 o ⋯ ～～“ ～～ {9 l 0 一 ． ] I 0 u u． x o 1 2 v o 1 0 x o 2 4王顺 羲 ] l rl 1uV i J X I O I 1 3 Y I ， 0 0 7 X I ，0 2 5 拣 ]l r I f l ‘ 1u l u X 0 1 4 Y 0 1 2 ； 9 2 0 毪 lJ ，I rl ‘ IV 11 X0 1 5 Y 0 1 1 X0 2 9 底逆转 ll ‘， I ， r⋯1 l 、 l I ， l r I 、 iu 1 X 。 0 ．1 1 一 ， 图3 手动程 序梯形 图 构 。同时用 “ 软接线”方法进行程序控制 ，提高了 系统的可靠性和灵活性 。 参考文献 【 1 】J ． R． P o l l a r d ． Op e n A r c h i t e c t u r e f o r Co n t r o l [ J ] ． I n d u s t i a l C o m p u t i n g ， 2 0 0 9 1 9 ． [ 2 】v ． J ． V a d a ． T h e e v o l u t i o n o f P L C b a s e d l o o p c o n t r o l [ J ] ． C o n t r o l e n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 0 3 ． 【 3 】于殿勇， 刘兴义． 基于P L C与触摸屏控制的搬运机械于 的应用[ J ] ．制造业自动化，2 0 0 9 年 8 ． 【 4 】王小玲．工业机械手的P L C控制[ J 】 ．机电工程技术， 2 0 0 4 0 9 ． 【 5 】张铁异， 何国金， 黄振峰． 基于P L C控制的混合型气动机 械手的设计与实现[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 8 0 9 ． 蠢● ■● 矗● 蠢‘ 蠡● ●囊‘ 矗‘ ●蠡● ●蠡● 蠡‘ 童● 矗‘ 鑫‘ 蠡● 矗I ． 岛● 矗● 叠‘ 盘‘ 蠡● 蠡‘ ， 童● 【 上接第1 1 4 页】 系统参数设置 T 2 5 ℃， C 『 2 2 0 u F ，L I ． 6 mH， R 2 2 Q，不考虑阴影 T1 -- 0 ，开关频率 1 0 K Hz ，仿 真 时 间 t 0 ． 1 s ，求解 器选 择 o d e 2 3 t ，其 中步长 为 0． 0 01。 3 ．3仿真结果 设 置 S在 0 ． 0 5 s 时从 1 0 0 0 W／ m2 突变 为 8 0 0 W／ m ，仿真结果如图 8所示。经过 0 ． 0 2 s 系统稳定在 1 4 0 W 左右 的最大功 率点处，0 ． 0 5 s 时光强发生改 变，其他因素不变 ，在 0 ．0 6 s 左右控制系统跟踪到 新的最大功率点，稳定在 l 1 5 W 左右。从仿真结果 可以看出 B P神经网络能快速跟踪到最大功率点 ， 具有较好的控制性能。 一 一 ⋯ ‘ ⋯ ⋯ 。V ●●●●J●’ ●- 0 0 ． 0 2 0 ． 04 0 ． 0 6 0． 08 图8 最大功率跟踪控制的仿真结果 I 1 3 o 1 第3 4 卷第1 2 期2 o 1 2 - 1 2 下 4 结论 本文根据影响光伏电池输 出特性 的温度、光 强、阴影外界环境 因素设计了 B P神经网络，对光 伏发电 系统进行最大功率 跟踪控制 ，仿真实验表 明该方法能快速跟踪光伏 电池 的最大功率点 ，有 效适应外界环境变化 ，具有较好的控 制精度和稳 定性 ，并且 由于该 系统简化 了光伏发电系统 的硬 件结构 ，具有较好的实际应用前景。 参考文献 【 1 】N． K a s a ， I i d a ． F l y b a c k I n v e r t e r C o n tr o l l e d b y S e n s o r l e s s Cu r r e n t M P P T f o r P h o t o v o l t a i c P o we r S y s t e m． I E EE Tr a n s ． I n d ． E l e c t r o n ， 2 0 0 6 ， 5 2 4 1 1 4 5 1 1 5 2 ． 【 2 】Y a n g C h e n ，Ke y u e Ma S me d l e y ，A C o s t E ff ect i v e S i n g l e S t a g e I n v e r t e r Wi t h Ma x i mu m P o w e r P o i n t T r a c k i n g [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s O n P o we r E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 4 ， 1 9 5 1 2 8 9 ． 1 2 9 4 ． 【 3 】张超， 何香凝． 非对称P I D 模糊控制在最大功率点跟踪中 的应用[ J ] ． 电工技术学报， 2 0 0 5 ， 2 0 1 0 7 3 ． 7 5 ． 【 4 】李炜， 朱新坚． 光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型 【 J 】 ． 计算机仿真， 2 0 0 6 ， 2 3 6 2 3 9 2 4 3 ． 【 5 】唐彬． 基于神经网络和支持向量机的光伏最大功率跟踪 研究【 D 】 ． 广东 汕头大学， 2 0 0 8 ． [ 6 】夏克文， 李昌彪， 沈钧毅． 前向神经网络隐含层节点数的 一 种优化算法[ J ] ． 计算机科学， 2 0 0 5 ， 3 2 1 0 1 4 3 1 4 5 ． 们 加 ∞ 鲫 ∞ 帅 加 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m