苗現(xiàn)華

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太倉 215411）

一種基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)RTT式機(jī)械手的電氣設(shè)計(jì)

苗現(xiàn)華

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太倉 215411）

本文針對機(jī)床加工行業(yè)，從毛坯到半成品到成品沒有實(shí)現(xiàn)一體化、智能化生產(chǎn)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)RTT式機(jī)械手。該機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床及周邊供料、取料一體化、智能化，尤其是在一些非標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)中可以廣泛應(yīng)用。

PLC 機(jī)械手 電氣設(shè)計(jì)

引言

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)頻繁出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中，但目前，國產(chǎn)的機(jī)械手發(fā)展尚處于起步階段，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)機(jī)器手中80%～90%的減速機(jī)用的是國外減速機(jī)，60%～70%用的是國外電機(jī)，40%～50%用的是國外控制器。另外，國產(chǎn)機(jī)械手大多用在搬運(yùn)、抓取等行業(yè)，反應(yīng)了高端產(chǎn)品的低端化，該現(xiàn)象造成了巨大的浪費(fèi)。與此同時(shí)，在生物、醫(yī)療領(lǐng)域等對位置控制精度要求比較高的場合，機(jī)械手選用伺服控制系統(tǒng)，成本較高?；谝陨蟽牲c(diǎn)，本文研究了一種采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)RTT式機(jī)械手。該設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了在原有開環(huán)控制系統(tǒng)中，無法預(yù)知被控對象的被控量和實(shí)際值的誤差，更無法測量外界干擾因素等的不足；對步進(jìn)系統(tǒng)的閉環(huán)研究能形成對被控量和給定值的比較，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，有效提高了原來開環(huán)系統(tǒng)的精度，同時(shí)減少了機(jī)械手成本。

1 設(shè)計(jì)要求

結(jié)合實(shí)際情況，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法。繪制站與站的位置，如圖1所示。機(jī)械手本體是主體，負(fù)責(zé)對供料站、加工A站、加工B站、成品站之間的工件進(jìn)行抓取放置。如附錄電氣圖紙位置圖所示。在毛坯站只需要人工將料放在供料機(jī)上，供料機(jī)依靠檢測傳感器，當(dāng)有料時(shí)，綠燈點(diǎn)亮；當(dāng)沒有料時(shí)，紅燈一亮一滅地閃爍。加工A站為機(jī)床，PLC從機(jī)床中取得信號為加工完成信號（機(jī)床黃燈指示燈信號）、工件夾緊完成信號、工件放松信號、令機(jī)床夾爪夾緊信號、令?yuàn)A爪放松信號、程序啟動(dòng)信號、報(bào)警信號（機(jī)床紅色指示燈信號）。同樣，加工B站同機(jī)床A的信號一樣。這兩組信號供給PLC作為輸入輸出來控制機(jī)械手和機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行。在成品站處，由機(jī)械手將加工B站的成品放置在成品處，當(dāng)有成品時(shí)，成品站綠燈以0.5HZ的頻率閃爍，提醒工作人員拿取工件。

圖1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程

2 設(shè)計(jì)流程

前期對項(xiàng)目的控制要進(jìn)行可行性分析，技術(shù)難點(diǎn)分析，主要難點(diǎn)在于旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的脈沖數(shù)與PLC發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行對比，進(jìn)行反饋?zhàn)霾?。首先，確定項(xiàng)目整體的大致方案，確定執(zhí)行機(jī)械結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等。其次，進(jìn)行其他元件的選型，選型后，需要對各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)控制脈沖數(shù)和頻率進(jìn)行計(jì)算。然后，進(jìn)行電氣原理圖的繪制，并進(jìn)行外圍線路的連接。接下來就可以進(jìn)行梯形圖的程序編寫和組態(tài)程序的編寫，最后進(jìn)行程序的模擬運(yùn)行。

本文主要對電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括元器件的選型、控制的相關(guān)計(jì)算、電氣原理圖的繪制，程序的編寫、模擬運(yùn)行等流程。

3 電氣元件的選型

電氣元器件的選型主要包括對各個(gè)元器件的特性、運(yùn)行環(huán)境等參數(shù)進(jìn)行考慮。

3.1 主令元件的選型

（1）選擇開關(guān)的選型?？紤]到設(shè)備需要手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，所以選用選擇開關(guān)。其觸電構(gòu)成為兩個(gè)常開觸電，動(dòng)作功能有三個(gè)位置，60°轉(zhuǎn)動(dòng)保持，反轉(zhuǎn)復(fù)位。如圖2所示。其電氣特性如下：額定工作電壓為DC24V，額定工作電流為4A，約定發(fā)熱電流為5A，使用環(huán)境為-25℃到+55℃，適合在正常環(huán)境下使用。

圖2 選擇開關(guān)圖形符號

（2）限位開關(guān)的選型。限位開關(guān)又稱微動(dòng)開關(guān)，在設(shè)備中設(shè)置機(jī)械限位，是為了防止機(jī)器在運(yùn)動(dòng)過程中軟限位出現(xiàn)問題，通過硬限位得以保障。在設(shè)備中選用比較直觀的接觸式限位開關(guān)，將限位開關(guān)安裝在底部機(jī)械手靜止的基座上，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)限位時(shí)，撞到限位開關(guān)的彈片，使電路切斷，實(shí)物如圖3限位開關(guān)所示。

圖3 限位開關(guān)

選用微動(dòng)開關(guān)主要考慮以下幾個(gè)因素：首先是外觀尺寸，目前，市場上所有的小型微動(dòng)開關(guān)尺寸相對較小的大概是12.8mm×5.8mm×12mm。這種小型微動(dòng)開關(guān)用于小電流電路，通常情況下，分?jǐn)嗄芰υ?.1～3A。行程也比較短，也就是微動(dòng)開關(guān)的尺寸和行程、分?jǐn)嗄芰Τ烧?。然而在考慮尺寸時(shí)，要折中操作力和電流容量。另外是電氣特性，微動(dòng)開關(guān)通常能分?jǐn)鄰?mA/5VDC到25A/250VAC的電流。我們選用的三菱FX系列PLC輸入為ON，X0-X10的電流最小為3.5mA/24VDC，X10之后需要的電流為5mA/24VDC，輸入電流要小于7mA。當(dāng)PLC輸入為OFF時(shí)，輸入電流不得小于1.5mA。再次，要考慮限位開關(guān)安裝的工作環(huán)境，機(jī)械手設(shè)備工作在常溫工作狀態(tài)下，限位開關(guān)的機(jī)械壽命在1000萬～2 000萬次，電氣失效前最大負(fù)載炒作5萬～10萬次。當(dāng)然，還需要觀察是否有CQC或CSA認(rèn)證。

（3）急停按鈕的選型。在運(yùn)行過程中，為了能讓機(jī)械手在特殊情況下停止當(dāng)前動(dòng)作而加設(shè)急停按鈕。在設(shè)備中，急停接入可編程控制器的輸入端，通過按下急停按鈕，來復(fù)位所有動(dòng)作，右旋復(fù)位常用操作方式。端子排列如圖4所示。所選急停按鈕設(shè)有一個(gè)常開和常閉的一體式觸頭。額定工作電壓為DC24V，額定工作電流為5A，約定發(fā)熱電流為5A。

圖4 急停圖形符號

3.2 配電器件的選型

（1）空氣斷路器的選型。在低壓電器中，空氣斷路器集控制、電路短路、過載欠壓等保護(hù)于一體。在該設(shè)備中，接入空氣開關(guān)的電壓為220V，頻率為50HZ，整個(gè)設(shè)備的額定電流不超過10A。雖然執(zhí)行機(jī)構(gòu)為感性負(fù)載，但對直流步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)沖擊電流較小，因此，脫扣特性選用C特性。考慮外界因素對斷路器性能的影響。首先考慮環(huán)境溫度對載流能力的影響，因?yàn)轭~定電流不超過多少，而設(shè)備所在地的海拔高度低于2000m，因此，分?jǐn)嗄芰Σ皇苡绊?。另外，設(shè)備不采用多臺連續(xù)并排安裝，故額定電流不受影響。

（2）開關(guān)電源的選型。選用開關(guān)電源主要考慮輸入輸出電壓電流的規(guī)格。電路中輸入用的是220VAC/50HZ輸入。輸出主要分為兩種，一種是供PLC和上位機(jī)其他元件的24VDC/12.5mA輸出，另一種供給旋轉(zhuǎn)編碼器和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的5VDC/3mA輸出。開關(guān)電源的功率也特別重要，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這里的電流12.5mA和3mA根據(jù)電路的負(fù)載來計(jì)算?？紤]電路中負(fù)載均為步進(jìn)馬達(dá)，因此，開關(guān)電源當(dāng)設(shè)置一些保護(hù)。選用的保護(hù)功能有過電壓保護(hù)、過溫度保護(hù)、過負(fù)載保護(hù)等。

（3）導(dǎo)線的選型。導(dǎo)線的選擇對于整個(gè)設(shè)備都至關(guān)重要，如果導(dǎo)線的截面積選擇較小，電器負(fù)載大，可能導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)熱，甚至發(fā)生火災(zāi)；如果導(dǎo)線截面積選擇較大，會造成成本高，導(dǎo)致材料浪費(fèi)。在實(shí)際工程中，通過總結(jié)的導(dǎo)線安全電流口訣選擇銅導(dǎo)線。口訣為：10下五；100上二；25、35四三界；70、95兩倍半；穿管溫度八九折；裸線加一半銅線升級算，設(shè)備所用的電流在10安培以內(nèi)。因此，選用2～2.5m2的銅導(dǎo)線作為載體。

3.3 控制器件的選型

（1）PLC的選型。在選用PLC時(shí)，首先考慮的是輸入輸出的點(diǎn)數(shù)，然后按照總需要預(yù)留總點(diǎn)數(shù)的15%～20%備用。本設(shè)計(jì)的數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)20個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為16個(gè)。其次是對存儲器容量的選擇。對容量進(jìn)行估算，所需輸入輸出點(diǎn)數(shù)之和乘以8得到288bit，就是所需PLC存儲器的存儲容量。再次是對PLC的IO響應(yīng)時(shí)間的選擇。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)輸入輸出都是開關(guān)量，不需要考慮響應(yīng)時(shí)間，但在做模擬量的閉環(huán)控制時(shí)需要考慮響應(yīng)時(shí)間。最后是對特殊的輸入輸出的考慮。在本設(shè)計(jì)中，輸入有兩個(gè)AB相增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸入，而輸出有三個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)輸出。因此，需要晶體管輸出功能的PLC。

綜合考慮上述因素，結(jié)合西門子PLC和三菱PLC的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用了更擅長用于位置控制的三菱FX系列3U的PLC，型號為FX3U-64MT。其有32個(gè)數(shù)字量輸入，32個(gè)數(shù)字量輸出，同時(shí)支持兩個(gè)AB相旋轉(zhuǎn)編碼器輸入，最大響應(yīng)頻率為50Khz，輸出有三個(gè)晶體管輸出，分別為Y0Y1Y2，位置控制指令簡單方便。

（2）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的選型。在設(shè)備中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)用的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而控制器選用的是可編程邏輯控制器，為此，需要對PLC發(fā)出的信號進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)PLC正常工作。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器有三種驅(qū)動(dòng)模式，分別為整步、半步、細(xì)分。相對于整步和半步，細(xì)分具有低速振動(dòng)小和定位精度高兩大優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中X軸為3A的57式兩相步進(jìn)電機(jī)，Y軸與Z軸為0.98A的42式步進(jìn)電機(jī)。為了匹配PLC源型/漏型的不同，采用支持驅(qū)動(dòng)器共陽、共陽輸入接法的驅(qū)動(dòng)器。在實(shí)際應(yīng)用中，只需撥動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的撥動(dòng)開關(guān)，調(diào)節(jié)輸出電流和細(xì)分、半流，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。

（3）上位機(jī)的選型。上位機(jī)本身含有兩個(gè)部分，表面觸摸裝置和觸摸屏控制部分。而觸摸屏一般被分為四大類：電阻式、電容式、紅外線式、表面聲波式。電阻式觸摸屏的屏與外界完全隔離，不用擔(dān)心灰塵、水氣、油污等，工業(yè)控制領(lǐng)域主要用電阻屏。而電容式觸摸屏的分辨率比較高，透光率也較好，其價(jià)格相對昂貴，但滿足各方面的要求。手機(jī)電腦觸摸屏主要用電容屏。紅外線觸摸屏主要通過判斷紅外線的通斷來確定觸摸位置，所以其分辨率可以達(dá)到100%，唯一影響其分辨率的是選用的透明擋板材料。表面聲波式屏的定位精度比較高，有橫縱向，還有的有Z軸力的檢測，主要用于各類公眾場合，但它對環(huán)境的要求較高，壽命較短。本設(shè)計(jì)選用的是MCGS的TPC7062KS型號的7寸屏，分辨率為800*480，電阻式觸摸屏，主板為ARM，400MHZ，內(nèi)存為64M，外部接口有USB一主一從，串口為1個(gè)RS232、一個(gè)RS485。

3.4 檢測反饋器件的選型

（1）傳感器的選型。對機(jī)床各種材料的工件上料完成情況及位置檢測需要傳感器來檢測。雖然機(jī)床的材料多為金屬，但也有其他材質(zhì)的棒材。為此，選用光電接近開關(guān)，在三菱FX3U-64M PLC中支持漏型和源型輸入的傳感器，選用常用的PNP型傳感器作為檢測傳感器。

（2）旋轉(zhuǎn)編碼器的選型。在設(shè)計(jì)中，編碼器扮演著反饋的角色，對整個(gè)系統(tǒng)的精度起著至關(guān)重要的作用。旋轉(zhuǎn)編碼器按輸出信號分為增量式編碼器和絕對式編碼器。前者主要應(yīng)用于測速、測旋轉(zhuǎn)方向、相對距離、移動(dòng)角度等；后者則相對前者精度要高的很多，主要用于角度測量、長度測量、位置測量、同步等。本設(shè)計(jì)主要選用的是增量旋轉(zhuǎn)編碼器，在選型的過程還要考慮以下因素。

首先，旋轉(zhuǎn)編碼器電氣上的最高響應(yīng)頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，如果高于這個(gè)參數(shù)，編碼器的電路就無法工作，出現(xiàn)漏脈沖的現(xiàn)象。最高響應(yīng)頻率計(jì)算如公式（1）所示。其次，在選型的過程中還需要考慮最大電氣轉(zhuǎn)速，其數(shù)值不能超過最大機(jī)械轉(zhuǎn)速，否則會導(dǎo)致編碼器旋轉(zhuǎn)軸的損壞。本設(shè)計(jì)選用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，參數(shù)如下：分辨率為1000P/R，最大機(jī)械轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分，最大響應(yīng)頻率為100KHZ。在實(shí)際控制中，要先設(shè)定轉(zhuǎn)速小于最大機(jī)械轉(zhuǎn)速，再計(jì)算出電氣頻率并與最大響應(yīng)頻率比較。

3.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型

（1）步進(jìn)電機(jī)的選型。在選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，需要考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩必須符合負(fù)載運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，同樣有轉(zhuǎn)速、輸出功率的要求。首先考慮的是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩有計(jì)算法、試驗(yàn)法、類比法。計(jì)算法比較復(fù)雜繁瑣，需要參考大量公式；試驗(yàn)法就是在負(fù)載上加個(gè)杠桿，然后用彈簧秤去拉杠桿，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的拉力乘以力臂長度就是負(fù)載力矩，但存在一定誤差。通過類比同行業(yè)中類似的設(shè)備，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)置、負(fù)載質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度等方面比較，進(jìn)而選擇步進(jìn)電機(jī)。

此外，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，兩者成反比關(guān)系。圖5為步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線圖。當(dāng)頻率在1000HZ以下時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降比較快，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要控制在1000以上，也就是速度在300r/min以下。在實(shí)際選型中，先確定轉(zhuǎn)矩，然后確定轉(zhuǎn)速，再根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)觀察步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性。選擇符合兩個(gè)參數(shù)的電機(jī)，如果選不出，則必須考慮加配減速裝置或降低轉(zhuǎn)速。

圖5 矩頻特性曲線

（2）電磁閥的選型。在控制夾爪夾放工件時(shí)，需要?dú)飧讈砜刂?，控制氣缸通過電磁閥來控制。夾爪有兩個(gè)狀態(tài)，分別為夾工件和松開狀態(tài)。本設(shè)計(jì)選用的是雙控三位五通的電磁閥。通過PLC分別控制電磁閥兩端的線圈來控制氣缸的伸縮，使夾爪夾放。本設(shè)計(jì)選用的是亞德客4V230C-08的電磁閥，工作電壓為24V，工作溫度在5～50℃，最大壓力為10.5KGF/CM2，勵(lì)磁時(shí)間為0.05。在裝配的過程中需要注意的是，接管路時(shí)，需要纏繞生膠帶，生膠帶不能超過牙端面，還需要注意防塵，排氣口用消聲器。

3.6 其他配件的選型

（1）電阻的選型。在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接受的脈沖、方向、使能信號電壓等級為5V，而PLC輸出的電壓等級為24V，因此，需要加入電阻來改變電氣參數(shù)。

（2）線槽的選型。只有無電磁兼容的配電線路才能放在一個(gè)線槽里，線槽內(nèi)線纜的總面積包括外護(hù)層不應(yīng)超過線槽內(nèi)截面積的20%，且截流導(dǎo)體不宜超過30根，控制電纜和信號電纜的總結(jié)面積不超過線槽內(nèi)截面積的50%。本設(shè)計(jì)均選用的是30*30線槽。

4 機(jī)械手控制的相關(guān)計(jì)算

本部分主要分析各個(gè)軸的相關(guān)計(jì)算，主要計(jì)算電機(jī)的脈沖數(shù)、脈沖頻率等計(jì)算參數(shù)。然后設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)。

4.1 X軸運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算

（1）X軸控制步進(jìn)電機(jī)相關(guān)計(jì)算。X軸是由同步皮帶輪和皮帶來控制。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪控制皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)驅(qū)動(dòng)輪的外徑為D，移動(dòng)距離為D1，要求時(shí)間為2s。電機(jī)的步距角為1.8°，細(xì)分?jǐn)?shù)為4，則X軸脈沖當(dāng)量δ為δ=0.005mm/PLS，脈沖數(shù)為P=X/0.005PLS，脈沖頻率為f=2600HZ。

（2）X軸驅(qū)動(dòng)器相關(guān)設(shè)置。其中，參數(shù)SW1、SW2、SW3主要控制輸出電流，因?yàn)閄軸步進(jìn)電機(jī)的電流為3A，所以需要將參數(shù)調(diào)成SW1-OFF，SW2-OFF，SW3-OFF。而SW4表示是否半流設(shè)置。在電機(jī)停止的狀態(tài)，要考慮驅(qū)動(dòng)器以全電流讓電機(jī)鎖住還是半電流讓電機(jī)鎖住，因?yàn)閄軸處于水平位置，所以用半流，減少發(fā)熱，所以SW4-ON。接下來要調(diào)細(xì)分步數(shù)，表示每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，原先步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，每轉(zhuǎn)脈沖要200個(gè)脈沖，然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分之后乘上細(xì)分參數(shù)，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要多少脈沖。這里設(shè)置的是4細(xì)分所以設(shè)置為SW5-ON，SW6-OFF，SW7-ON。

（3）X軸定位運(yùn)行控制示意圖，如圖6所示。

圖6 X軸控制曲線

4.2 Y軸運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算

（1）Y軸控制步進(jìn)電機(jī)相關(guān)計(jì)算。Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為絲桿加螺母副。絲桿的螺距為4mm，步距角為1.8°，細(xì)分為4，最大的速度為13mm/s，實(shí)際前進(jìn)為X，則脈沖當(dāng)量為δ=0.005mm/PLS,脈沖數(shù)為P=X/0.005PLS，脈沖頻率為f=2600HZ。

（2）Y軸驅(qū)動(dòng)器相關(guān)設(shè)置。其中，參數(shù)SW1、SW2、SW3主要控制輸出電流，因?yàn)閅軸步進(jìn)電機(jī)的電流為0.98A，所以需要將參數(shù)調(diào)成SW1-ON，SW2-ON，SW3-OFF。而SW4表示是否半流設(shè)置。在電機(jī)停止的狀態(tài)，考慮驅(qū)動(dòng)器以全電流讓電機(jī)鎖住還是半電流讓電機(jī)鎖住，因?yàn)閅軸處于水平位置，所以用半流，減少發(fā)熱，所以SW4-ON。接下來是調(diào)細(xì)分步數(shù)，表示每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，原先步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，每轉(zhuǎn)脈沖要200個(gè)脈沖，然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分之后就乘上細(xì)分參數(shù)，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要多少脈沖。這里設(shè)置的是4細(xì)分所以設(shè)置為SW5-ON，SW6-OFF，SW7-ON。

（3）Y軸定位運(yùn)行控制示意圖，圖7所示。

圖7 Y軸控制運(yùn)行圖

4.3 Z軸運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算

（1）Z軸控制步進(jìn)電機(jī)相關(guān)計(jì)算。Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為絲桿加螺母副。絲桿的螺距為4mm，步距角為1.8°，細(xì)分為4，最大的速度為13mm/s，實(shí)際前進(jìn)為X1，則脈沖當(dāng)量為δ=0.005mm/PLS,脈沖數(shù)為P=X/0.005PLS，脈沖頻率為f=2600HZ。

（2）Z軸驅(qū)動(dòng)器相關(guān)設(shè)置。其中，參數(shù)SW1、SW2、SW3主要控制輸出電流，因?yàn)閆軸步進(jìn)電機(jī)的電流為0.98A，所以需要將參數(shù)調(diào)成SW1-ON，SW2-ON，SW3-OFF。而SW4表示是否半流設(shè)置。在電機(jī)停止的狀態(tài)，考慮驅(qū)動(dòng)器以全電流讓電機(jī)鎖住還是半電流讓電機(jī)鎖住，因?yàn)閆軸處于水平位置，所以用半流，減少發(fā)熱，所以SW4-ON。接下來是調(diào)細(xì)分步數(shù)，表示每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，原先步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，每轉(zhuǎn)脈沖要200個(gè)脈沖，然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分之后就乘上細(xì)分參數(shù)，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要多少脈沖。這里設(shè)置的是4細(xì)分，所以設(shè)置為SW5-ON，SW6-OFF，SW7-ON。

（3）Z軸定位運(yùn)行控制示意圖，如圖8所示。

圖8 Z軸運(yùn)行圖

5 控制系統(tǒng)外圍硬件設(shè)計(jì)

本部分主要對控制器三菱FX3U-64MT進(jìn)行外圍分配、原理圖繪制，程序在此就不贅述。

（1）PLC I/O分配。在分析完項(xiàng)目的流程后，對PLC的I/O進(jìn)行分配。其中，PLC內(nèi)部輔助繼電器供給上位機(jī)編程用，具體如表1所示。

（2）機(jī)械手系統(tǒng)接線圖繪制。本設(shè)計(jì)的電氣原理圖通過EPLAN軟件繪制，項(xiàng)目包括高層代號SCH、REP1、REP2，在SCH中繪制包括電路分配，PLC的電源輸入輸出，氣路部分。在REP1中有PLC的圖表、卡總覽。REP2中生成端子連接圖、電纜連接圖。

在EPLAN中PLC設(shè)計(jì)主要有三種，基于地址點(diǎn)、基于通道、基于板卡?；诘刂伏c(diǎn)的設(shè)計(jì)就是在實(shí)際項(xiàng)目中逐個(gè)用PLC的IO點(diǎn)，在大的項(xiàng)目中一般會用本設(shè)計(jì)方法。基于通道的設(shè)計(jì)就是輸入輸出模塊一個(gè)點(diǎn)的路徑，對數(shù)字量一般是一個(gè)DI或者DO的點(diǎn)形成一個(gè)通道，而模擬量可能是兩個(gè)AI或AO組成的通道。而本設(shè)計(jì)中PLC用的是基于板卡的設(shè)計(jì)方法，將FX3U-64mt做成窗口宏，然后直接調(diào)用，通俗易懂。在實(shí)際工程中，基于板卡的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用較多。

表1 PLC I/0分配（FX1N-60MT-D）

6 總結(jié)

該機(jī)械手，通過PLC與步進(jìn)系統(tǒng)對機(jī)床及周邊設(shè)備的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工，減少了人工成本，為企業(yè)提高了效益。另外，對步進(jìn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)的位置控制，從而實(shí)現(xiàn)了控制的精確性。

[1]Dietmar Schmid.Automatisierungs-TechnikMitInformatik und Telekommunikation[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：145-180.

[2]張彤.EPLAN電氣設(shè)計(jì)實(shí)例入門[M].北京：北京航空航天出版社，2014：8.

[3]昆侖通態(tài).mcgsTPc中級教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：119-127.

[4]天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊[M].3版.北京機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[5]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].3版.北京高等教育出版社，2012.

[6]道客巴巴.三菱FX3U用戶手冊[EB/OL].(2013-03-12)[2015-10-15]. http://www.doc88.com/p-170809517339.html.

[7]李金成，付明忠.三菱FX系列PLC定位控制應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

Electrical Design of a Kind of Closed-loop RTT Manipulator Based on PLC and Stepper Motor

MIAO Xianhua
(Suzhou Chien-shiung Institute of Technology, Taicang 215411)

This manipulator design, mainly because of the machine tool industry from blank to se mi-finished products to finished product does not implement integration, intelligent production intelligent manufacturing. This manipulator can achieve machine tool and its surrounding material feeding, feeding integration, intelligent, es pecially in s ome non-standard can be widely used in production.

PLC, manipulator, electrical design