基于PLC的机械臂控制电路设计.docx
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基于PLC的机械臂控制电路设计
基于PLC的机械臂控制电路设计
摘要
随着可编程控制器应用技术的不断发展，PLC的应用范围日益扩大，使得当今工程技术人员在设计电气控制系统时，考虑选用PLC控制取代接触器控制。
本文重点分析了基于PLC的机械手控制系统的组成，并详细叙述了在以PLC为核心的基础上，对交流异步电动机进行综合控制的软、硬件的实现方法。
该系统利用异步电动机正反转旋转以及脉冲调速的特点，对其采用调频控制。
因此可将整个运动视为折线运动，每一个动作可视为运动程序相同、特征参数各异的点位相对运动。
其以起点作为参考点，通过脉冲计数得到目的点的位置，手动操作机械手从参考点运动到目的点后，保存目的点位的特征参数，并统一进行列表管理。
从而实现手动模式下运用关键点位输入及自动模式查表方式的“仿形”动作。
关键字：
可编程控制器，机械手，定位控制
PLC-basedmanipulatorcontrolcircuitdesign
Abstract
WiththeProgrammableLogicControllerthecontinuousdevelopmentofappliedtechnology,PLContheapplicationofgrowing,makingtoday'sengineeringandtechnicalpersonnelinthedesignofelectricalcontrolsystem,considerreplacingoptionalPLCcontrolaccesscontrol.ThepaperanalyzedthePLC-basedcontrolsystemManipulatorthecomposition,anddescribedindetailinthePLCasthecoreonthebasisoftheSteppingMotorcontroloftheintegratedsoftwareandhardwareofthemethod.ThesystemusedbytheSteppingMotorunitpulseofstepwiththecharacteristicsofthesamedistancefromtheirpointofusingopen-loopcontrol.Sothewholemovementcouldbeseenasbrokenlinemovement,everyactioncanbeconsideredthesameassports,characteristicsofdifferentparametersofthepointofrelativemovement.Toitsstartingpointasareferencepoint,throughthepulsebycountingpurposesatthelocation,manuallyoperatedmechanicalhandmovementfromthepointofreferencepointstothepurpose,thepurposeofpreservingpointsoftheparameters,andaunifiedlistmanagement.Toachievemanualmodeuseofthekeypointsofimportandautomaticmodelook-uptablemeans"copying"moves.
Keyword:
ProgrammableLogicController,Manipulator,PositioningControl
1前言
1.1研究的目的和意义
1.1.1传统机械手
伴随着工业自动化发展的脚步，机械手凭借其定位精度高、工作性能稳定、结构灵活多样、可精确复现等特点，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域。
它的运用标志着制造业向自动化、无人化、节拍化、智能化的迈进。
就传统继电控制的机械手而言，因其控制装置落后、接线复杂、易受干扰、可靠性差、维修困难等劣势，逐步退出了历史舞台。
1.1.2现代机械手
可编程控制器因其诸多特点被广泛应用于现代机械手控制系统中。
可编程控制器简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。
其特点特点如下：
1、可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
就PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
2、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展至今，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加之PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4．系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5．体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
配套齐全，功能完善，适用性强。
1.2研究的国内外现状和发展趋势
1.2.1国内外现状
1．应用广泛性。
机械手作为一种按人类意识进行简单替代人手操作的工具，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域，从事目标搬移（如：
搬移机械手、选择夹持机械手、运输机械手、挖掘机等）、精确定位（医疗机械手辅助手术、电子元器件机插设备、打印设备、数控加工中心等）、模拟（残疾人假肢）等工作。
2．结构多样性。
机械手因其模拟人类手部的工作模式而命名，并非其形状像手。
在应用的各领域、各工作层面中，机械手的形状各异，不受到任何标准形状的制约，实用、抽象的结构体，发挥着其独有的高效作用。
3．智能性。
借助传感器反馈系统，将机械手工作时的动态信息，及时的反馈回中央处理单元，进行动作的实时控制。
即使被操作目标的表面形状和位置存在差异，机械手都能借助检测反馈信息，自动的判断夹持位置（定位位置），智能的把目标送入下一工作环节。
生产车间中，运用该机械手，可实现无人化生产，构建无人车间。
1.2.2发展趋势
1．各种多用途机械手。
适用于抓取各种物件，适合于各种不同用途，具有各种新功能。
如汽车工业中的上下料、装配、喷涂以及各种功能的实现。
2．具有熟练技术工人的机能。
如开发双臂多关节机械手，像熟练技术工人那样进行各种装配、检修、焊接、喷涂等工作，能搬运液晶玻璃、半导体器件，并能和计算机连接，通过仿真软件进行各种熟练技术工人的工作。
完美的人机界面，完备的通信功能更好适应各种工业的控制场合。
3．实现智能化，能进行多品种少数量的柔性生产，组成各种形式的制造系统。
开发各种带视觉、听觉、触觉的新型传感器，能够分析、判断、遥控的智能化机器手，为未来低成本、高精度、高效率、高自动化的制造系统做准备。
4．提高机器手工作定位精度。
通过安装视觉传感器，实时控制系统等措施，使械手运动环节能实现实时位置反馈，提高机械手工作定位精度。
2方案设计
2.1机械手的工艺流程和实现功能
2.1.1机械手工艺流程
本设计要求在流水线上的物料台之间设置一个机械手,用以完成工件在2个工位之间的空间位置转换。
根据系统的控制要求,机械手能够以手动和自动两种方式完成工件的搬移工作。
对于手动控制方式,按照点动的方式进行,手动控制按钮有"手动右移"、"手动左移"、手动前进"、"手动后退"、"手动上升"、"手动下降"、"手动吸附"和"手动松开",按下相应的按钮,机械手分别执行机械手臂X轴右移、X轴左移、Y轴前进、Y轴后退、Z轴上升、Z轴下降、机械手抓取、机械手放开。
另外还有"自动/手动"按钮,用以选择系统的控制方式,按下时为自动控制方式,未按下时为手动控制方式。
对于自动控制方式,按照时间推移具体动作顺序如下:
（1）等待接收工作方式信号;
（2）横轴移动至XI,轴移动至Yl,启动夹紧2秒等待;
（3）机械手从流水线将工件取下;
（4）纵轴左旋至Zl,竖轴下将移动至Y2；
（5）松开工件,机械手将工件放置另一工位上2秒等待；
（6）竖轴上升,横轴后退到X2，纵轴右旋到Z2，回原点;
上述1-6为一个动作循环
2.1.2机械手实现功能
基于上述的控制要求,本机械手控制系统实现下述功能:
机械手按手动和自动两种方式动作:
设计要求机械手可以通过手动和自动两种方式实现控制功能,在手动方式下,用点动的方式进行机械手的移动控制,对应的控制按钮在控制面板之上;在自动方式下,机械手根据编制的自动控制程序实现自动运行,完成工件的抓取、放下过程。
2.2系统总体设计框图
图2.1系统总体设计框图
2.3各模块概述
2.3.1控制器
运动控制器是运动控制系统的核心,其在系统控制中的任务是产生控制命令和使系统输出信号跟随参考位置。
本设计采用的控制器是三菱公司的FX2N-64MT型PLC。
PLC是以微处理器为核心的工业自动化控制装置,具有可靠性高、运算速度快、存储量大、功能强劲、易于和计算机相连接等特点,被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一,现已在工业控制领域得到极广泛应用。
PLC具有很高的可靠性,这归功与其采用的电路设计技术和生产制造工艺;PLC还能够自我检测系统的硬件故障;在软件设计中,可以编写相关的程序进行故障诊断,在硬件和软件两个方面保证了PLC的高可靠性。
现代PLC在数据计算能力方面比之前大大提高,能控制的系统也越来越复杂;PLC将控制系统的外部接线用程序的方式表达出来,使得系统的硬件维护工作量减少很多,更重要的是若需要改变某一工艺流程,只需改变内部的控制程序即可实现。
2.3.2驱动模块
驱动模块是指驱动器及相关组件。
驱动器是将运动控制器输出的小信号放大以驱动伺服机构的部件,对于不同的伺服机构,驱动器有电动、液动和气动等类型P4l。
PLC运动控制系统采用PLC作为控制器,通常驱动器为、伺服电机驱动器、步进电机环形驱动器等。
本设计采用变频器为驱动器交流异步电机驱动器釆用全数字化结构,采用脉冲编码器倍增功能,采用新的算法使整定的时间得以缩短;驱动装置硬件结构简单,参数调整方便,输出一致性、可靠性增加。
同时,驱动装置可以集成复杂的电机控制算法和只能控制功能,如增益自动调整、网络通信等功能,很大程度提高了交流伺服系统的适应范围
2.3.3执行模块
执行模块的主要功能是驱动被控对象,本系统的执行模块包括交流异步电机和液压站。
交流伺服电机包括永磁同步电机和感应式异步电机,交流伺服电机具有加减速时间短、精度高、反应速度快、过载能力强、可靠性高、效率高、外形尺寸小和质量轻等特点。
采用交流伺服电机作为执行元件,将输入的电压信号转换成为轴的角位移或角速度的变化,输入的电压信号称为控制信号,改变其值可以改变伺服电机的转速和转向。
交流伺服电机的转子惯量与直流电机相比值很小,并且具有良好的动态响应性能。
另外,在同样的体积下,交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%-70%[24-25]。
气压传动将压缩气体经由管道和控制阔输送给气动执行元件,将压縮气体的压力能转换为机械能而做功。
执行模块是运动控制系统的重要组成部分。
执行部件和被控对象相联系的动力学特性对于系统的性能影响很大,也在很大程度上决定了被控对象是否能够达到预期的控制要求,所以,执行模块是系统性能的展现方式。
3硬件设计
3.1机械手夹持结构
3.1.1夹紧机构——手爪
机械手手爪是用来抓取工件的部件。
其构造模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。
手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得较多。
可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。
手爪抓取工件时应具有迅速性、灵活性、准确性和可靠性。
设计过程中应根据需要对机械手的运行速度、加速度、夹持物体重量、惯性和冲击力、开口尺寸进行校核，且能够自锁，防止断电或设备故障造成被抓物掉落。
3.1.2结构
假定被夹持工件为有凹槽回转体，且自重不超过机械手允许安全负载，作以下结构设计。
图3.1机械手手爪示意图
1.手爪2.转轴3.压缩弹簧4.电磁铁心5.电磁线圈6.螺母
7.机械手手爪壳体8.定位销9.限位螺钉10.橡胶防滑垫
工作理论：
杠杆原理、胡克定律及安培定律。
工作方式：
机械手的夹紧与放松由电磁线圈控制。
若线圈得电，手臂端产生磁力矩，当磁力矩大于弹簧被压缩所产生的力矩时，手臂吸合，手爪张开；若线圈失电，手臂端无磁力矩，机械手手爪将在弹簧预压缩力所产生的力矩作用下，保持夹紧状态，实现自锁功能，避免因偶然断电导致被抓物掉落。
特点：
最小夹持半径可调，设定夹持点半径，可减小夹紧力对夹持物表面的破坏。
由于夹紧的为钢性工件，为了提高安全性能，防止损坏工件，我们可以在夹紧部分加上一层橡胶，这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性．通过橡胶的弹性变形来缓冲对工件的冲击，可以减轻乃至消除对工件的损坏。
3.2机械手躯干
3.2.1组成
机械手躯干包括立柱、机座、手臂及手手指四部分。
立柱是支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构，立柱与机座相联可固定在地面上、机床设备上、或者悬挂在横梁上，可固定在行走机座上。
本设计中机座为落地固定式机座。
机座是支撑机械手全部重量的构建，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作方便和造型美观。
手臂是机械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他们运动的机构。
手臂应承载能力大、刚性好、自重轻、灵活、位置精度高、通用性强等特点。
主要结构有伸缩式和关节式，本文优选伸缩式。
3.2.2传动定位机构
2）手臂直线运动的结构
手臂直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置组成。
文中选用步进电机作为动力，故选用丝杠螺母机构或齿轮齿条机构。
现就两者作以下分析：
丝杠螺母机构：
位移较准确、降速比大，运平稳、无噪音、易自锁，但高精度的丝杠制造比较困难，传动效率低。
矩形、梯形螺纹结构，因传动力大，应用广泛。
滚珠丝杆效率高，但成本高。
齿轮齿条机构：
传动效率高，速度快、无自锁。
一般用于机械手的传动机构，不作为定位机构。
为满足自锁要求，优先选用丝杠螺母机构。
3）手臂回转机构
由于采用交流异步电机作为驱动元件，回转机构相对简单，成本相对较低。
可直接采用齿轮减速以实现回转。
图3.2机械手机构图
3.3传动系统
3.3.1传动方式
电气传动使利用电动机直接驱动执行机构，以获得机械手的各种运动。
采用交流异步电机驱动，机械手的位移和运动速度，可由电控系统发出脉冲信号数量及脉冲信号频率来控制。
步进电机能够达到比较高的重复定位精度。
3.3.2交流异步电机调速原理
实际的生产过程离不开电力传动。
生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式。
直流电动机可方便地进行调速,但直流电动机体积大、造价高,并且无节能效果。
而交流体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻,因此对交流电动机的调速具有重大的实用性。
使用调速技术后,生产机械的控制精度可大为提高,并能够较大幅度地提高劳动生产率和产品质量,而且可对诸多生产过程实施自动控制。
通过大量的理论研究和实验,人们逐渐认识到:
对交流电动机进行调速控制,不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能,而且在许多场合中,还具有非常显著的节能效果。
鉴于多种调速方式中,交流变频调速具有系统体积小,重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单,通用性强,使传动控制系统具有优良的性能,同时节能效果明显,产生的经济效益显著。
尤其当与计算机通信相配合时,使得变频控制更加安全可靠,易于操作（由于计算机控制程序具有良好的人机交互功能）,变频技术必将在工业生产发挥巨大的作用,让工业自动化程度得到更大的提高。
三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场,这个旋转磁场的转速称同步转速,记为n1实际电动机转速n要低于同步转速,故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。
异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系
n1=60f/p（3-1）
式中f———电源交变频率
P———电机定子磁极对数
电机学中还常用转差率s参量,其定义为
s=（n1-n）/n1·100%（3-2）
电机的实际转速n=（60f/p）（1-s）（3-3）
变频调速控制方式式（3）可知,异步电动机变频调速的控制方式基本上有以下三种。
1）电源频率低于工频范围调节,电源的工频频率在我国为50Hz。
电机定子绕组内的感应电动势为E1=4.44f1K1N1Φ（3-4）
式中f1———定子绕组中感应电动势的频率,与电源频率f相等,Hz
K1———电机定子绕组的绕组系数,其值取决于绕组结构,K1<1
N1———电机定子绕组每相串联的线圈匝数
Φ———电机每极磁通
定子电压U1与定子绕组感应电动势E1的关系
U1=E1+I1Z1（3-5）
式中Z1———定子绕组每组阻抗
I1———定子绕组相电流
若忽略定子压降I1Z1则U1≈E1=4.44f1K1N1Φ（3-6）
把该式整理成U1=4.44f1K1N1Φ（3-7）
K=4.44K1N1（3-8）
则Φ=U1/Kf1（3-9）
电动机的电磁转矩M与（U1/f1）2成正比,若下调频率f1同时也下调U1,使（U1/f1）比值保持恒量,则磁通Φ不变,因此转矩也保持常值,此时电动机拖动负载的能力不发生改变,这种控制方式称为恒磁通调压调频调速,也叫恒转矩调速。
2）电源频率高于工频范围调节由于使频率f1增加,U1/f1变小,而U1不能高于额定电压,在该控制方式中,保持U1不变,由于频率变高,由式（3-9）知道,定子磁通!
变小,电磁转矩M也变小,但电源频率增加,设电动机转动角速度w=2πn,电机的功率是电磁转矩M与角速度ω的乘积P=M·ω（10）
调节过程中,使频率f与转矩的变化成一定协调关系,从而保持电机功率P为恒量,即功率不发生变化,这种升频定压调速为恒功率调速。
3）转差频率控制三相异步电动机中,定子与转子之间的圆周空隙有一旋转磁场,转速为n1,电机转子实际转速为n,（n1-n）是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。
对频率、电压进行谐调控制,使U1/f1不变,此时,磁通!
也不变,在Φ不变的条件下,电磁转矩M与（n1-n）2成正比。
对频率f进行调节,即调节（n1-n）,因此,在实现转速调节时也实现了转矩的调节。
随着变频调速异步电动机在国内外市场上日益扩大应用,自90年代中期以来,我国有众多电动机生产企业设计、研制和生产适用于不同应用的各种系列变频调速三相异步电动机,例如:
通用变频调速电动机系列、起重冶金变频调速电动机系列、隔爆变频调速电动机系列、电梯变频调速电动机系列、辊道变频调速电动机系列、牵引变频调速电动机系列等。
从目前情况看,这些系列电动机能基本满足国内市场的需求。
据资料显示,我国对于变频调速三相异步电动机的品种不断扩大,产品设计也不断改进。
为了适应不同用途、不同工作条件和使用环境、不同工况等各种要求,专用系列和改型系列变频调速电动机产品不论现在和将来,都在迅速发展。
变频器供电电源会在电动机端子和各相绕组的前几匝线圈上产生高频瞬间脉冲峰值电压,因此,如果不对绝缘系统采用增强措施,将会使绕组在高电压应力作用下过早失效,从而引起绝缘击穿故障。
据资料报道,佳木斯电机股份有限公司已在新一代变频调速电动机上开始采用专用电磁线、槽绝缘、相间绝缘以及浸渍漆等措施。
3.4辅助系统
3.4.1原点定位及超程保护
为保证机械手重复定位精度，对机械手每工作循环提出返回原点校零位要求。
在初始位置添置限位开关，当触及时发出已达原点指令，停止运动。
同时锁定继续前行运动，能且只能反向运动，以实现因故障或暴力操作造成的超程保护功能。
非原点端只作超程保护不作为定位。
图3.3传动丝杠示意图
3.4.2操作台
操作面板以贴近人们日常工作习惯、符合人体工程学、方便工作人员直观操作、反应自动工作状态为原则，与后文I/O采用方案相匹配，进行设计，如图所示。
该机械手工作方式有手动、单步、单周期、连续工作（自动）四种形式。
具有原点、路径关键点，报警指示、工作状态指示等功能。
下面就操作面板说明如下：
设备原点：
机械手的机械设备原点。
任何停止状态，旋转选择旋钮到原点，启动回原点按钮，机械手回到原点。
手动方式：
各自的按钮使各个负载单独接通或断开。
实现实时按操作者的指令进行动作。
同时也负责起自动工作方式中每一工步的目的点的记录保存工作。
单步：
旋钮选择单步工作，按动一次启动按钮，前进一个工步。
单周期：
旋钮选择单周期工作，按动一次启动按钮，运行一个周期。
连续工作（自动状态）：
在用户原点，旋钮选择自动，按动启动按钮连续反复运行，途中按动停止按钮，运行到原点后停止。
LED指示灯：
状态实时显示。
电源和急停按钮与PLC工作无关。
该按钮使用来接通或断开PLC外部负载的电源。
图3.4操作面板示意图
3.5PLC选择及I/O口分配
3.5.1PLC控制系统设计的基本原则
1.满足被控
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