基于松下PLC脉冲控制机械手系统的设计.pdf

自 基 于松 下 P L C脉 冲控制机械 手 系统 的设 计 宋明 学 山 东劳动职业技 术学 院电气工程 系， 山 东济南 2 5 0 0 2 2 由 P L C输 出两路脉 冲．分别驱 动横轴 、竖 轴步进电机 ，从而实现控制机械手 的精确定位 。 器 P L C；脉 冲；步进 电机；机械手 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 0 0 9 - 0 0 3 7 0 3 1 前 言 本 文设计 开发 的物料搬 运机械 手 可在空 间抓放 物体 ， 动作灵 活多样 ，可代替人工 在高温 、危 险的作业 区进 行作 业 ．并 可 根 据 工 件 的变 化 及 运 动 流 程 的 要 求 随 时 更 改 相 关 参数 。 2概 述 机械 手主要 由执行 机构 、驱动 机构 和控制 系统构 成 。 执行 机构包括 手部 、手臂和躯 干 。手部装 在手 臂的前 端 。 根据 夹持对象 的形状 和大小配 备多 种形状 和尺 寸的夹 头 ， 以适 应操 作的需求 ．本文设 计采用二 指的构造 ，手爪部分 采用气压驱动 。示意图如图 l 所示 。 图 1 气压驱动 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 8 控制 系 统可 根据 动 作 的要求 ，设 计 采用 数字 顺 序控 制 、小型计算 机或微处理机控制 。本文设计 的控制系统采 用小型可编程控 制器实现 ，选用 步进 电动机带 动丝杠 、螺 母机构驱 动手臂运 动，P L C脉冲控制步进 电机系统框 图如 图 2所 示 。 脉 椭号几 驱 位 置 输 输 方向信号 动 速 度 P L C 墨 方向 入 出 l 巷 |售 l 步 进 电 机 图 2 P L C J } j ’冲控制步进 电机 系统框 图 3机械手 的工作流程 本文设计 的机械手任务是将 工件 由左 工作台搬运 到右 工 作 台 ．示 意 图如 图 3所 示 。 工作 过 程 当机 械 手 处 于初 始 位 置 左 上 方 位 置 时 ．按下启动按钮 后 ，机械手下 移至左工作 台 ，夹紧工件 后 ． 向 上 回 到 原 点 ；然 后 右 移 ，移 到 位 后 向 下 至 右 工 作 台，放下 工件 。再 向上 、向左回到初 始位置 ，完成一 次动 作周期 。 机械 手的操作方式分 为点动 、单 步 、单周期 和连续操 作。 1 点动操作 操作按钮对 机械手 的每一种移位运动 单独进行控制。例如 ，当选择 上／ 下运动方式 后 ，按下 启动 按钮 ．机 械手 上升 ；按下停止按 钮 ，机械 手下降 。当选择 自动化 左／ 有 运 动 方式 后 ，按 下启 动 按 钮 ，机械 手 左 移 ；按下 停 止 按钮 。机械手右移 。当选择夹紧／ 放松运 动方式后 ，按下启 动按钮 ，机械手夹紧；按下停止按钮 ，机械手放松。 2 单步 操 作 每 按 下 一 次 启 动 按 钮 ，机 械 手 完 成 一 步动 作 后 自动停 止 。 3 单周期操作 机械 手从 初始位置开始 ，按一下启 动按钮 ，机械手 自动完成一个周期 的动作 后停止 。即搬运 一 次 。在工作 中若按 _ 一 下停 止按钮 。则 机械手 动作停止 。 重新肩动时 ，须用点动操作将机 械手 移回到原点 。然后按 ⋯下启 动按钮 ．机械手重新开始单周期操作。 4连续操作 机械手从初始位 置开始 ，按一下启动 按钮 ．机械手 的动作将 自动地 、连续不 断地周期性循 环 ， 即连续 自动搬运 。在_T作中若按一下停止按钮 ，则机械 手 动作停止 。重新启动时 ，须用手动操作将机械手移 回到原 点，然后按一下启动按钮 ，机械手重新开始连续操作 。在 l 作 中若按一下复位按钮 ，机械手将持续完成一个周期 的 动作后 ，回到初始位置 自动停止 。 光 电 检 测 左工位 右 工位 图 3 机械手示意图 4设计的主要特点 1 控 制 方 式 多 具有点动 、单步 、单周期 、连续控制方式。 2 传动系统 设计采用综合传动方式 ，即手臂采用电气传动 ，而手 抓采用气压传动。 3 夹 紧 机 构 防 止 损 坏 被 夹 的 物 体 ．夹 紧 力 要 限 制 在 一 定 的 范 围 内 ．并镶 有软质垫片 、弹性衬垫或 自动定心结构。为防止 突然停电造成 的被抓物体落下 ，还 可以有 自锁结构 。本设 计采用机械夹紧机构 ，由电磁阀控制气压手爪的夹紧。 4手 臂 手臂采用步进电机带动丝杠 、螺母来实现 伸缩 和升降 运 动 。由可编程控 制器 发 出脉 冲信号 ，控 制步进 电机 旋 转 ．带动滚珠丝杠旋转 ．完成手臂的运动 。改 变发 出脉冲 的个数 ，可控制手臂的两个轴运动的距离 ，同时在 两轴 的 髓端分别加限位开关限位。采用丝杠 、螺母结构传 动的特 点是易于 自锁 ，位置精度较 高 ，传动效率较高 5 技术参数 1 输入 电压 A C 2 0 0 ～ 2 4 0 V 带保护地三芯插座 ； 2 消耗功率 2 0 0 W； 3 气 源 大 于 0 ． 1 MP a而 且 小 于 0 ． 8 MP a ； 4外 型尺 寸 4 0 e mx 3 5 e mx 4 5 c m； 5 负荷参数 额定 负荷为 0 ． 5 k g ，最大负荷为 2 k g ； 6 手臂 的运 动参数 横 轴方 向移 动范 围是 3 5 0 m m， 速度 是 1 0 o m m ／ s 竖轴 方 向移 动范 围是 2 5 0 m m，速 度是 1 0 0mm／s 。 5主要 电器元件 、设备的选择 1 P L C的选 择 本 系统控制 的对象是 一个 开关量控制的系统 ，同时利 用 脉冲控制 步进 电动机 的运转 ，根 据下式计算系统的脉冲 当量 、脉冲频率上限和最大脉冲数量 脉 冲 当 量 苎 型 萎 ， 脉 冲频率上限 移动速度X 步机电机细分数 当量 最 大 脉 冲 数 量 鲎 蔫 差 。 根据脉冲频率可以确定 P L C高速脉 冲输 出时需要 的频 率 ，根据脉冲数量可以确定 P L C的位宽 。同时 。考虑到系 统响应的及时性 、可靠性 和使 用寿命 ，P L C应选择 晶体管 输 出型 。 松下 F P O 系列 小型 P L C具 有性 价 比高 、功能 完善 、 指令 丰富等 优点 ，能满 足本 对象 各项控 制性 能要 求 ，因 此 ，本 系统采用 松下 F P O系列 的 F P O --C 1 6 T作为基本模 块。由于输入输出点不够 ，扩展一个 F P O --E 1 6 R S模块。 2 电源模块 采用 开关 电源 ．其 特点 是输出功率大 ，体积小 ，重量 轻 ，可靠性 高 。适 应宽范围的输 入电压波动 ，具有完备的 过电压 、过 电流保护功能。 主要参 数 输入 交流 电 压 l 1 0 ～ 2 2 0 V ／ 5 0 Hz 、6 0 H z ； 输出直流电压 2 4 V ／ 6 ． 5 A；最 大功率 1 5 6 W；工作环境 一 l O ℃ 4 0 0 C 3 步进 电 A 动 机 步 进 电机 是 将 电脉 冲转化 为 角 位移 的电 气设 备 。脉 冲的数 量 决 定 了 旋 转 的 总 角度 ，脉 冲 的频 率决 定 了旋 转 的 速度 ，方 向信 号 决 定 了 旋 转 的 方 厂 B 图 4 步进 电动机接线图 向。根据被控设备的技术数据采用二相八拍混合式步进 电 动机 ，型号 4 2 B Y G H1 0 1 ，接线 图如图 4所示。 [二] 丑二二] 工业 自 4步 进 电 动 机 驱 动 模 块 采用中美合资步进 电动机驱动器 ，接线 图如 图 5所示。 [] c 咏冲 D I R n 趣 巍 机 电 早 O m甜 m 驱 动 器 叶 ’ 2 4 - 4 0 V } 图 5 步进 电动机驱动器接线 图 5 传感器 采 用接近开关作 为工作 台有无 工件的检测 。微 动开关 作为横轴 、纵轴硬 件限位检测用 。接 近开关有 三根连接线 红 、蓝 、黑 红色 接 电源 的正极 、黑 色接 电源 的 负极 、 蓝 色为输出信号 ，当与挡块 接近时输 出电平为低 电平 ．否 则为高 电平 ，其 原理 图如图 6所示 。 图 6 接 近 开关 原 理 图 电 源 正 信号 输出 电 源负 6系统软件设计 I ／ 0地址 分配一 览表 如表 1 所 示 。P L C外部 接线 图如 图 7所示 。程序梯形 图如 图 8所示 。 表 1 I ／ 0地 址 分 配 一 览 表 输 入 输 出 X O 横 轴正限位 Y 0 横 轴脉冲 X1 横 轴反限位 Y1 竖轴脉冲 X2 竖轴 j J 限位 Y 2 横轴 方向 X3 竖轴 反限他 Y 3 竖轴 方向 X4 启动 Y 5 电雉 阀放松 X5 单周期、循环 Y 6 电磁阀夹紧 X 6 停J 、复位 X 7 有无 f l“ f 检洲 X 2 0 机械 手是否在夹 l 一 件 X 2 l 单步控制 X 2 2 点动开关 X 2 3 上 卜 X 2 4 左右 X 2 5 夹紧放松 图 7 P L C外部接线 图 图 8 梯 形 图 机械手 的点动 ，单步 ，单 周期 ，连续操 作方式 ，四种 方式是 不能同时工作 的，由转 换开关转换 完成 。任何一 种 方式 的开始都是 由 X 4启动 ，停止 由 X 6完成的 。 7结束 语 该设计经几 个月的运行考 核 。运行效果 良好 ，从而证 明将 P L C脉 冲控制步进 电机技 术应用于中 、小功率机械手 设 备 中 ，具 有 控 制 简 单 、稳 定 、成 本 低 等 特 点 ，是 一 种 切 实可行的电气控制方案。 下转 第 8 2页 [二] 丑j 盎 与 开发 例如 ，计算十进制数 B的 7阶和 9阶格雷码 ，可以通 过 以下 方 法 快速 得 到 G Gt 2 “ Gl G 2 B G- G2 G 0，4 G- G 0，2，4，6 G 0， 1 ，2， 3，4，5 ，6 ，7 ， G 9 B Gl 8 B G- G G G O，8 C 0，8 0G 1 ，9 G 0，l ，8，9 。 与之前进行 的高 阶格雷码运算 相比 ，利用高阶格雷码 的基 2性质，可以快速地推算 出各高 阶格雷码 的表达式而 且不容易 出错。 7高阶格雷码 的回归性质 7 ． 1 高 阶格雷 码 的回归性 观察高阶格雷码 的表达式 ，可以发现 1 阶 、3阶 、7 阶⋯⋯ 2 一 1 阶高阶格 雷码 的表达式 和本 文新提 出的格 雷码的反变换算 法一致 ，这说 明对 任意一个十进制数做高 阶格雷码运算都 可以回到这一 十进制数本 身 ．这一性质称 为高阶格雷码的回归性 。 7 ． 2回归 阶数 计算 经研究发现 ，对 于任 意大于 1 的十进制数 曰，均存 在 自然数 n使 不等式 2 ≤ ≤2 t 成立 ，则 十进制数 曰会 在 第 2 ’ 阶高阶格雷码 回归。2 以后的高阶格雷码 则都 等于 2 阶 格雷 码 。 8格 雷码对应的 自然码手动快速换算[ 】 若随意给出某格雷码 ，如何快速手动换算出它对应 的 十进制数一直成为人们研 究的内容 ．本文根据格雷码正反 变换的异或定理推导出格雷码反变换的快速算法。 对于任意格雷码 g ⋯颤都满足以下关 系 gt 1 个0 gz 9 黜 ⋯ n - t 5 “ O] g只能 取 0或 l ，设 口 g J n - r o ，则g g ⋯ t兽- n a 。 根据高阶格雷码反 变换异或定理 G G Ⅱ 0G b G G 口 0b Ⅱ 0b 可 知G 。g ⋯ G 。 。 营 ， 营 G - a ， ， 显 然 G - I 口 ， ，而对二进 制数做 异或运 算 的实质是 做 不进位加或不借位减运算。因此可知格雷码反变换从低位 到高位 的权为 l ， 3 ， 7 ⋯ 2 n 一 1 。正负号 的确定原 则为 最高位 l 取 正号 ，往低位方 向，每遇到一次 l ，符 号变换一次 。 例 格雷码为 1 1 0 1 ，求对应 的十进制数 B I x1 5 1 一 7 0 3 1 xl 9 。 格 雷 码 1 1 01对 应 的 二进制码为 1 0 0 1 ，1 0 0 1 转换成 十进制数正是 9 。 9小 结 提 出了格 雷码 正反变 换 的快速 算法 ，简 洁 。便 于编 程。提出并证明了格雷码正反变换异或定理 ，在此基础上 推导出格雷码到 自然码快速手动算法 。首次提 出了高阶格 雷码定义 。研 究获得了高阶格雷码特性以及高阶格雷码基 2算法 。 参考文献 [ 1 ]段波．格雷码及 其转换 的应用 [ J ]．国外建材科技 ，2 0 0 5． 2 4 2 6 68 6 9 ． [ 2 ]丁强 ，董 万钧．一种格 雷码 与二进制码 转换的新 方法 [ J ]． 水 利 水 文 自动化 ，2 0 0 1 0 1 2 1 2 2 ． [ 3 ]李君成．格 雷码 G r a y 和二 进制码 的快速 转换方 法 [ J ]． 安徽广播 电视大学学报 ，2 0 0 1 0 3 8 5 8 7 ． [ 4 ]宋沛．格 雷码到 B C D码 的转换[ J ]．机 电工程技 术 ，2 0 0 3 0 5 9 9 1 0 0 ． [ 5 ]陈正植．格 雷码及其 简易换 算 [ J ]．中国电播 ，2 0 0 1 1 2 21 - 22 第一作者简介 吴晓建 。男 ，1 9 8 5年生 ，江西赣县人 ，硕士 ，助 教 。研究领域 汽车设计方法及理论。 编辑 向 飞 上接 第 3 9页 参 考 文 献 [ 1 ]张运 波，刘淑荣．工厂电气控 制技 术 [ M]．北京 高等教 育 出版 社 ．2 0 0 4． [ 2 ]常斗 南．可编程 序控制 器原 理 [ M]．北 京 机械 工业 出版 社 ． 1 9 9 8 ．7． [ 3 ]周希章 ，周全，等．如何正确选 用电动机[ M]．北京 机械 工业 出版 社 ．2 0 0 4 ． [ 4 ]黄凯强 ，项 占琴．S I Mo T 1 0 N D 4 2 5在接箍 上下料机械 手上 的应用 [ J ]．机 电工程 ，2 0 o 8 9 6 5 6 7 ，9 1 ． [ 5 ]张桂香．机 电类专业毕业设计指南 [ M]．北京 机械工业 出 版 社 ． 2 O o 5 ． 作者简介 宋明学 ，男 ，1 9 7 2年生 。山东泰安人 ，大学本科 。研 究领域 自动化控制技术。已发表论文 2篇。 编辑 昊智恒 [二] 习二二]