基于ＰＬＣ机械手控制系统

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操作流程?

工业机械手动作描述
1、机械手移动工件的工作原理
  1、）机械手分别通过上升/下降电机，左行/左行电机的正反转来上、下、左、右移动移动的最大位置通过上下左右4个限位开关控制。
2、）夹紧工件通过夹紧/放下电机的正反转来控制。夹紧工件通过定时器来控制，即经验设定一个时间，在这个时间内，机械手能完全夹紧工件。放下工件通过放松限位开关来控制。
3、）底座的旋转通过给出脉冲信号驱使步进电机旋转一定角度。
4）机械手具有手动和自动两种工作方式。

2、机械手自动运行过程（首先让底座按要求旋转一定的角度）
  1 按下启动按钮，系统开始工作；
  2 机械手首先向下运动，运动到最低位置停止；
  3 机械手开始夹紧工件，一直把工件夹紧为止（由定时器控制）
   4机械手开始向上运动，一直运动到最上端（由上限位开关确定）；
5 上限位开关闭合后，机械手开始向右运动；
6 运动到右端后，检测是否有工件，若无就继续向下运动；
7 向下运动到最低位后，机械手把工件松开，一直到松限位开关有效（由松限制位开关控制）；
8 工件松开后，机械手开始向上移动，直到触动上限位开关（由上限位开关控制）；
9 到达最上端后，机械手开始向左运动，直到触动左限制位开关，此时机械手已经回到初始位置。

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基于S7－200的多关节机械手的PLC控制  
袁川来
（湖南冶金职业技术学院 湖南 株洲 412000）

1 引言

随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，但传统的继电器控制的半自动化装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰，从而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题，为解决以上问题，可以采用可编程控制器PLC控制的机械手控制系统。

S7－200 PLC （Program Logic Controler）是德国西门子公司生产的小型可编程控制器，具有良好的可扩展性、价格低廉、指令功能强大、十分适合机械手控制系统中的应用。但一般工业机器人执行机械手机构多为形状简单的夹钳式、托持式、吸附式等结构，其结构和抓握目标物的原理决定了有限的抓握功能，随着机器人应用范围的日益扩大和向智能化，拟人化方向的发展，其手部也有多指多关节的拟人化要求，另外在工伤、事故中断手的残疾人也需要功能价格比高的多关节机械手，为此我们设计出一套新的基于S7－200 PLC的多关节机械手控制系统，该系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性、降低了威胁率，提高了工作效率。

由于PLC控制受环境的限制，在使用过程中会受到各种干扰，影响系统的可靠性，因此必须采取各种抗干扰措施，以提高控制系统的可靠性。

2. 机械设计

2.1 机械结构

多指多关节的机械结构是最理想的机器人手爪，其每个手指的各个关节都各有一台独立的电机驱动，并配有传感和控制系统，使手爪能完全模拟人手动作，当抓取的目标物各边形状与手爪中心不对称时，每个手指各关节的弯曲程度可以不同，手爪对被抓物体的形状具有适应性。先接触物体的手指其指关节产生较大的抗力而不能弯曲，而其他未接触到物体的手指将继续弯曲，直到每一个手指都接触物体，其结构如图1所示。



2.2 工作原理

直流电机1经谐波减速器2减速后带动丝杠3旋转，使螺母4在导向杆12中上下移动，螺母4带动五根连杆5使四个手指的第一指节7转动，手指安装在弹性支座（手掌）6上，弹性支座6上另有五根固定拨杆8插入各手指的第二指节10上端的凹槽中，使第二指节在第一指节旋转时能同时绕第一、第二指节间的关节轴转动，而第一指节7下端装有固定拨杆9插入第三指节11上端的凹槽中，使第三指节同时随第一、第二指节的转动而绕第二、第三指节间的关节轴转动，从而形成三个指节联动抓握或放开目标物体，其抓握原理如图2所示。



当抓取的目标物各边形状与手爪中心不对称时，每个手指各关节的弯曲程度可以不同，手爪对被抓物体的形状具有适应性，先接触物体的手指其指关节产生较大的抗力而不能弯曲，当螺母带动连杆5继续上移时，及手指的弹性支座6将向上翘起使手指不再弯曲，而其他未接触到物体的手指将继续弯曲，直到每一个手指都接触物体，如图2（b）所示，因而同一电机驱动的五个手指能像人手一样适应目标物体的形状进行可靠抓取。

3 PLC控制系统设计

3.1 总体设计

PLC控制系统设计时不能过分依靠PLC本体，使用外部继电器能够完成控制要求的，应使用外部继电器，系统电机采用自耦降压启动，由于设计时取消外部时间继电器，采用启动信号直接输入PLC，经PLC内部计时器输出运行信号，启动时间难于精确确定，而且负荷变化将引起启动时间变化，从而当用户想要调整启动时间时就比较困难，需要具备PLC编程知识及相关编程工具，而一般的用户或电工并不具备这样的条件，因此采用PLC内部计时器作为启动时间控制就颇费周折，也不利于现场控制及日后维护。

PTC的自动控制程序的编写方法很多，根据多关节机械手的特点，要求每一个动作严格按顺序执行，因此采用步进指令编写，以保证机械手的运行有条不紊。

在顺序及连锁控制中，涉及平行并联关系的机号，考虑到操作上的便利，让PLC能自动选择运行电机，方便电机在运行过程中能够有选择地运行，连锁关系为4级，见图2所示，前两极中有并列选择运行的电机（D1，D2，D3，D4）。

电机工作原理主要是控制电机的选择，其电气工作原理如图3所示，将开关S拨到集中控制时，K2吸合给PLC一个信号，让PLC识别该电机需要运行，而没有选择集中控制的电机则认为暂时不运行。



3.2 延时报警系统

为避免因压力不足或机械手动作不到位造成的误动作，系统设置了延时报警系统，如图4所示。



当某一机械手爪因故障被卡超过设定时限，延时报警系统将动作：设Y5为控制该电机动作的继电器，X5为对应动作的限位，若该动作超时，对应的时间继电器T4将动作，则T4的动合触点接通，首先接通Y18，切断电源，停止电机运行，因故障排除按钮为动作，内部继电器R0未导通，则Y16接通，与之相连的报警蜂鸣器通电发声报警，与此同时，R901C导通后周期性地通断，通过已接通的T0导通Y17，使与之相连的报警指示灯不断闪烁，提醒工人排除故障，从而避免机械手爪故障加重造成抓举动作失败而造成严重后果。一旦故障排除，X14接通，内部继电器导通，其通断触电打开，蜂鸣器停止报警，报警灯熄灭。

4 抗干扰设计

4.1 防输入/输出信号干扰的措施

防输入信号的线间干扰，机械手PLC控制系统中的这种干扰虽然可以通过输入单元的滤波电路使其衰减，然而，输入信号线与大地间的共模干扰在控制器内部回路产生大的电位差，可能引起控制器误动作，因此，为了抗共模干扰，除控制器要良好接地外，在设计肋骨冷弯机PLC控制系统时还采取了以下两种抗干扰措施。

（1）在输入端并接续流二极管使机械手的PLC控制系统中只有直流输入信号，因此采取并接续流二极管（只在信号输入端有感性负载时采用）的方法，可以防止信号变化时感应电势损坏输入单元。

（2）防感应电压的措施，尽量避免机械手PLC控制系统的输入信号线与电源线平行走线，输入端并接浪涌吸收电路，在长距离配线和大电流的场合，感应电压采用继电器转换。

4.2 PLC控制系统的接地方法

（1）由于PLC机柜和操作台、配电柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电的金属部分，由于各种原因（如腐蚀、绝缘破损等）而有可能带危险电压，所以应该进行保护接地，低于36V供电的设备，无特殊要求可不做接地保护。

（2）PLC控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位，基准电位的连接线称为系统地，通常是控制回路直流电源的零伏导线，系统接地的方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地方式。

（3）为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子应做屏蔽接地。其中信号回路接地和屏蔽接地又通称为工作接地。

一般以上接地方法的控制原则是：保护地和工作地不能混用，这是由于在每一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电位差，这对低电平信号电路来说是一个非常严重的干扰。屏蔽地，当信号电路是单点接地时，低频电缆的屏蔽层也应单点接地，如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上时，将产生噪声电流，形成噪声干扰源。

本系统采用的接地电阻都需要在规定的范围内，对于PLC组成的控制系统一般应小于4Ω，而且要有足够的机械强度，事前都需要进行防腐处理。PLC组成的控制系统进行单独设置接地系统，也可以利用现场条件进行“等电位联结”进行接地设计。

5 上位机与PLC数据通信

PLC上位机的通信是PLC应用于控制的重要环节。S7－200通过选择合适的通信口工作方式与上位机通信，S7－200系列PLC的通信口有3种工作方式：PPI（Point－to－PiontInterface）方式、Freeport（自由口）方式、PROFI－BUS－DP方式。

由于自由口方式具有与外围设备通信方便、自由，易于微机控制软件开发等特点，因此本系统使用自由口方式实现PLC与上位机通信，但在自由口通信方式下，上位机与PLC的最大通信能力为187.5kb/s，无法满足上位机与PLC高速通信的考虑需要，使用一系列Siemens，SIMATIC，Microcomputing，Active X控件，用于对PLC的数据操作，并选用适当的通信协议实现了上位机与PLC的高速通信，取得了很好的控制效果。

6 结语

可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块，高可靠性、在机械手控制的设计中起到了十分重要的作用，但在PLC控制的过程中，还有许多问题需要解决，本文就设计过程中的几项关键问题提出了自己的一些看法，经实践证明，可以有效地提高系统的抗干扰能力，对PLC读、写，事件响应等通信时间可进行精确控制，取得了良好的效果。


  
本文摘自《现代电子技术》

基于PLC控制的注塑机专用机械手
作者：佚名  来源：不详  发布时间：2007-1-3 12:46:56  发布人：admin
   目前，市场上流行的注塑机专用机械手就控制系统而言都是使用专用的微处理机加接口组成的最小控制系统。在机械构造方面，当定位精度要求不高时采用时规皮带传动，行走部分配置滑线导轨，由变频调速器调速控制。本文提出一种基于PLC控制的注塑机专用机械手，充分利用PLC灵活控制的特点，行走部分配置滑线导轨，采用斜齿轮齿条传动和变频调速控制;是一种高性价比的机电一体化设备。文章分别从机械构造和电气控制两个层面对该机作了较为完整的论述。

    1  引言
                           
    在塑胶制品中，以制品的加工方法不同来分类，主要可以分为四大类。一为注塑成型产品;二为吹塑成型产品;三为挤出成型产品;四为压延成型产品。其中应用面最广、品种最多、精密度最高的，当数注塑成品产品类，小到日常生活用品中的锅瓢碗盏、儿童玩具，大到精密工业设备上的零部件，随着各种高分子新材料的不断涌现，许多金属零部件亦有不断被这些新材料逐步取代的趋势。为配合注塑成型产品自动化生产要求，为保证制品的高品质高效率，必须尽量减少人工的干预，基于上述思想，许多注塑机生产厂家将注塑机专用机械手的装置列入了客户辅助选用件的范围。
                     
    然而,对于原有注射机而言，绝大多数都没有此项装置，因此，开发适合注塑机使用的专用辅助机械手，就成了提升厂家产品的竞争力的一种重要手段和必然选择。
    2  行业状况
                           
    各种类型机械手是自动化生产中必不可少的重要设备。尤其是在危险场合，在严重威胁人们安全和健康的环境下，采用机械手代替人，具有十分重要的意义。
                           
    珠江三角洲地区塑胶工业是十分发达的，在国内居龙头地位，在国际上珠三角也有世界工厂之称。目前，该行业使用的注射机专用机械手以台湾生产的居多，如台湾劲力公司生产的劲力牌机械手、台湾威得客国际股份有限公司生产的“威得客”W255系列注射机专用机械手,等等。
   
    剖析此类机械手的结构，其电气控制系统一般均采用微型计算机最小系统或单片机系统，机械手驱动部分采用气动驱动，变频调速驱动和伺服驱动。在机械构造方面采用滑线导轨结构配时规皮带传动，或用滚珠齿轮齿条结构配滑线导轨。总体设计思想，都是尽量采用成熟的控制技术和机械零件与机构搭配而成。
    3  基于PLC控制的注塑机专用机械手
   
   上述注塑机专用机械手, 就机械手制造厂家而言, 由于是专用辅助设备因而售价较高, 尤其用于对原有注塑机的设备改造上, 经济上似乎“得不偿失”之嫌。所谓“高性能价格比”的注塑机专用机械手就成了所有注塑制品生产厂家利用原有注塑机设备提升产品质量的重要选择和最大需求。
    3.1 以PLC为核心的控制系统
   
    PLC是一种以微处理器为核心, 并综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置。它的最大特点就是体积小, 功能强, 响应速度快，可靠性高。控制过程均通过以梯形图的方式编程。随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性。现在由于PLC均由世界上有名的电气控制设备制造商专业化研究开发和批量生产, 故由于生产成本低而导致价格便宜。随着全球经济一体化进程的加快, 市场竞争导致其价格有进一步下调的空间, 为各行业上广泛采用此种控制系统提供了有利条件。其控制系统原理图如图1所示。

    图1 PLC控制系统框图
    图中人机界面亦采用技术上及工艺上均已十分熟悉的5.7"单色触摸屏, 采用手持式结构, 通过对话式操作界面，全中文模式，简单易学。内建程序可以随心所欲的搭配使用, 可自动监测故障并纪录。可随时修改三个坐标轴的运动参数及横行轴变频调速器的各项参数，以满足产品工艺要求。PLC通过读取注塑机的开合模信号和顶针信号，通过程序运行从而保证机械手与注塑机工作安全协调。
    3.2 机电一体化机械传动模式
                           
    在当今技术更新愈来愈快的时代，谁跟上技术发展的脚步，谁就有可能获得市场。目前，市场上流行的注塑机专用机械手，无一不是沿用上述思路来设计的。本文将上述思想引伸为一种设计模式:积木式结构。即将系统中相对独立的部件，在满足系统工艺要求的前提下，采用最高性能价格比的机构予以配置。针对本系统的结构，横行轴采用变频器马达配减速机构驱动;上下轴及引拔轴使用气缸驱动。在横行、引拔、上下行走机构上均使用进口的高刚型线性滑轨。上下行轴及引拔轴装配支座均使用市售高刚型的铝合金型材，横行轴采用斜齿轮齿条传动。综上所述，高性价比的机械配置加高性价比的控制系统，由此催生了极具市场竞争力的注塑机专用机械手。
           
    根据上述设计思想，以OMRON公司的CPM2AE为例，该型号是专为中国客户推出的PLC，具有极高的性价比，笔者以此为核心，配上触摸屏和LG变频器，再辅以上述机械传动部件，即构成了注塑机专用机械手的硬件部分，而软件编程则以应用工程师十分熟悉的梯行图语言来编写，相信也并非难事。该注塑机专用机械手已应用于生产。造价较市场上同类型机低近2万元。
   
    4  结束语
                           
    实践证明，利用十分成熟的PLC技术和变频器调速技术以及十分成熟先进的机械传动构件，采用积木式架构，应用工程师就可以迅速地为企业设计制造出生产急需的机电一体化设备。成为在设备改造、升级，提高产品质量，参与市场竞争的有力武器。