基于S7―200PLC的機械手運動(dòng)控制

摘要：基于S7—200PLC村機械于的運動(dòng)進(jìn)行一系列控制，這些運動(dòng)包括手臂上下、左右直線(xiàn)運動(dòng)，手腕旋轉運動(dòng)，手爪夾緊動(dòng)作和機械手整體旋轉運動(dòng)等。所采用的動(dòng)力機構是步進(jìn)電機，能夠做到精確控制。在多個(gè)行程開(kāi)關(guān)傳感器的保護下，保證了這些運動(dòng)萬(wàn)無(wú)一失。

0 引言

工業(yè)機械手(以下簡(jiǎn)稱(chēng)機械手)是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現的一項新技術(shù)，并已成為現代制造生產(chǎn)系統中的一個(gè)重要組成部分，越來(lái)越多地被研究和應用。本設汁的控制系統采用小型可編程控制器S7—200PLC，具有編程簡(jiǎn)單、修改容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 機械手的選擇

根據古典力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)，物體在三維空間內的靜止位置是由三個(gè)坐標或圍繞三軸旋轉的角度來(lái)決定的。因此，物體的位置和方向(即關(guān)節的角度)能從理論上求得。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，機械手的自由度不是盲目模仿人手的動(dòng)作來(lái)確定的，而是根據實(shí)際需要的動(dòng)作，設計出最少自由度的機械手來(lái)滿(mǎn)足作業(yè)要求。所以一般專(zhuān)用機械手(不包括握緊動(dòng)作)通常只具有2～3個(gè)自由度。而通用機械手則一般取4～5個(gè)自由度。本設計采用的機械手共有5個(gè)自由度。

這五個(gè)自由度為機械手能夠做出手臂伸縮、手臂上下擺動(dòng)、手臂左右擺動(dòng)、手腕回轉、手指抓緊，該機械手示意圖如圖1所示。

2 動(dòng)力裝置的選擇

工業(yè)機械手要求精度非常高，所以本設計采用的是步進(jìn)電機，步進(jìn)電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數。當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數宋控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。

不過(guò)步進(jìn)電機需要在驅動(dòng)器的作用下才能正常工作，所以還要選擇驅動(dòng)器，本設計選擇的是價(jià)格便宜而又方便使用的中美合資SH系列步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)器，主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等，實(shí)物圖和接線(xiàn)原理圖分別如圖2和圖3所示。

電源輸入部分：由電源模塊提供，用兩根導線(xiàn)連接，注意極性。

信號輸入部分：信號源由PTO主機提供。由于PTO提供的電平為24V，輸入部分的電平為5V，中間加了保護電路。

輸出部分：與步進(jìn)電動(dòng)機連接，注意相序。

3 傳感器的使用

采用近位開(kāi)關(guān)作為手爪旋轉和底盤(pán)旋轉眼位檢測用;采用限位開(kāi)關(guān)，作為橫軸、縱軸限位檢測用。

近位開(kāi)關(guān)：有3根連接線(xiàn)(紅、藍、黑)，紅色接電源正極、黑色接電源負極、藍色為輸出信號，當與擋塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。

選用型號：ASL-300Q(磁感應式320)，其結構原理如圖4所示。

限位開(kāi)關(guān)：當擋塊碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)動(dòng)作(常開(kāi)點(diǎn)閉合)，選用型號：ASL-300M(機械式310)，其結構如原理圖5所示。

4 電氣接線(xiàn)圖

電氣接線(xiàn)圖如圖6所示。

5 控制流程設計

本次設計為空間內兩點(diǎn)間的物件循環(huán)搬運動(dòng)作。具體控制流程如下：開(kāi)啟PLC，如果機械手不在初試位置上，步進(jìn)電機開(kāi)始運轉(M軸向手爪方向移動(dòng)，豎軸向下移動(dòng))，機座伺服電機反向旋轉到零刻度位置。初始化完成后，首先載入物件所在位置在柱面坐標系下對應的脈沖數，橫軸、豎軸步進(jìn)電機和機座伺服電機同時(shí)工作，橫軸向前伸，豎軸向上升，機座正轉;當步進(jìn)電機因脈沖輸完而中斷停止，伺服電機伸到位后，手腕電動(dòng)機得電帶動(dòng)手腕反向旋轉;當傳感器檢測到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手爪夾緊，延時(shí)一段時(shí)間后，然后載入目的地所在位置在柱面坐標系下對應的脈沖數，橫軸、豎軸步進(jìn)電機和機座伺服電機同時(shí)工作，返回到物件所在位置;手腕電動(dòng)機得電帶動(dòng)手腕正向旋轉，電磁閥復位，手爪松開(kāi)延時(shí)一段時(shí)間;最后判斷主程序開(kāi)關(guān)狀態(tài)，若仍然開(kāi)啟，則開(kāi)始下一周期的搬運動(dòng)作?？刂屏鞒虉D見(jiàn)圖7所示。