劉 燕，鄒 萍，管文娟

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，常熟 215500）

控制技術(shù)

基于PLC的三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 燕，鄒 萍，管文娟

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，常熟 215500）

三軸機(jī)械手作為智能制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)三軸機(jī)械手運(yùn)行控制要求，以PLC為核心控制器，應(yīng)用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、傳感器監(jiān)測(cè)、觸摸屏技術(shù)，結(jié)合氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)等多項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足準(zhǔn)確定位、牢固抓取及移動(dòng)要求的控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)其程序柔性化的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手不同運(yùn)行軌跡的操作，以此驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的大力發(fā)展。實(shí)際運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

三軸機(jī)械手；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)；運(yùn)行軌跡

0　引言

智能制造技術(shù)的發(fā)展使機(jī)械手已成為了現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它替代人類(lèi)手臂可完成搬運(yùn)、抓取、移位等一系列動(dòng)作。三軸機(jī)械手作為空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以在高溫、高壓、潮濕、粉塵、污染性等惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行，完成人類(lèi)無(wú)法完成的操作，因此在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。三軸機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，對(duì)其運(yùn)行控制的要求不斷提高，準(zhǔn)確的定位、牢固的抓取、移動(dòng)已成為對(duì)機(jī)械手運(yùn)行性能的基本要求，也成為自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)降低作業(yè)成本、提高作業(yè)能力和效率的重要保證。基于PLC的三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)，以PLC為核心控制器，應(yīng)用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、傳感器監(jiān)測(cè)、觸摸屏技術(shù)，結(jié)合氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)等多項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的柔性化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手不同的操作，以此驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的大力發(fā)展，并帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)更加復(fù)雜的生產(chǎn)和操作以及裝配工藝要求更高的流程化過(guò)程。

1　三軸機(jī)械手平臺(tái)結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1三軸機(jī)械手平臺(tái)結(jié)構(gòu)

三軸機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳感器、X軸移動(dòng)平臺(tái)、Y軸移動(dòng)平臺(tái)、Z軸移動(dòng)平臺(tái)、工件放置平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)和吸盤(pán)等組成。其中M1，M2，M3分別是Y，X，Z軸的步進(jìn)電機(jī)，控制機(jī)械手運(yùn)行過(guò)程中的移動(dòng)位置；PH1、PH2、PH3、PH4、PH5、PH6、PH7、PH8、PH9為X、Y、Z軸移動(dòng)平臺(tái)上的傳感器，作為三個(gè)軸的極限和原點(diǎn)位置的監(jiān)測(cè)信號(hào)；YV1為吸盤(pán)，吸取物料，放下物料。

圖1　三軸機(jī)械手平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.2控制系統(tǒng)的要求

在生產(chǎn)過(guò)程中隨著加工工藝的不同，機(jī)械手執(zhí)行軌跡總在發(fā)生變化。為了說(shuō)明問(wèn)題，下面以?xún)煞N典型的控制工藝為例闡述其設(shè)計(jì)思路。

1）控制方式一：機(jī)械手自動(dòng)循環(huán)完成一個(gè)周期的操作，通過(guò)移動(dòng)、吸取等動(dòng)作將物料從A區(qū)移動(dòng)到B區(qū)，并在工件放置平臺(tái)上擺放成方形形狀。若在執(zhí)行過(guò)程中按下停止按鈕，機(jī)械手將停留在該工序上，再按下啟動(dòng)按鈕，則又從該工序繼續(xù)工作；

2）控制方式二：具體操作流程與方式一控制類(lèi)似，其機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的最終目標(biāo)是將物料擺放出圓形形狀。

上述的運(yùn)行軌跡需要機(jī)械手在三維坐標(biāo)中完成向左移動(dòng)、向右移動(dòng)、向前移動(dòng)、向后移動(dòng)、向上移動(dòng)、向下移動(dòng)、吸氣和放氣等動(dòng)作。兩種運(yùn)行中可設(shè)置手動(dòng)運(yùn)行或連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行方式，且在每次開(kāi)機(jī)初始化完成后，機(jī)械手需要進(jìn)行原點(diǎn)搜索。

2　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由PLC、觸摸屏、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)和傳感器監(jiān)測(cè)等部分組成。傳感器等外部信號(hào)通過(guò)輸入單元送入PLC內(nèi)部進(jìn)行邏輯運(yùn)算預(yù)處理，再經(jīng)過(guò)PLC輸出單元向X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和電磁閥發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行并控制機(jī)械手吸盤(pán)的動(dòng)作。各組成部分的功能如下：

1）觸摸屏：監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。選擇MCGS中的TPC7062觸摸屏作為系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)。觸摸屏是人機(jī)交互系統(tǒng)中的一部分，主要包含了HMI硬件和畫(huà)面組態(tài)軟件兩部分。

2）PLC控制器：接收按鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)和傳感器信號(hào)，同時(shí)控制三個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。選擇西門(mén)子CPU226PLC作為控制器，X軸、Y軸、Z軸傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)以及啟動(dòng)、停止的按鈕信號(hào)分別接至CPU226的輸入端， PLC輸出端則接步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及電磁閥。

3）傳感器檢測(cè)信號(hào)：傳感器檢測(cè)信號(hào)由三軸機(jī)械手中各部分安裝的傳感器產(chǎn)生，選擇光電傳感器作為三個(gè)軸的極限和原點(diǎn)。

4）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)組成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)機(jī)械手在三個(gè)方向的軸上運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)選擇為Kinco 2S45Q-02054，該步進(jìn)電機(jī)是兩相四線(xiàn)的電機(jī)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選擇為2M530的Kinco。

5）電磁閥：控制機(jī)械手吸盤(pán)的吸氣和放氣動(dòng)作。

6）機(jī)械手：主要控制對(duì)象，運(yùn)動(dòng)由電機(jī)和吸盤(pán)控制。圖2中的機(jī)械手為氣動(dòng)機(jī)械手，以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，進(jìn)行能量或信號(hào)傳遞。

圖2　系統(tǒng)硬件組成框圖

2.2步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)組成，通過(guò)和PLC控制器的連接來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，接收從PLC發(fā)出的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。具體接線(xiàn)電路如圖3所示。將X軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的PLS+、DIR+分別接至PLC的Q0.0和Q0.2點(diǎn)。PLS為脈沖信號(hào)，DIR為方向信號(hào)，每一個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，而方向信號(hào)則是控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。將步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的A+、A-、B+、B-與步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力線(xiàn)相連。Z軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)思路與X軸、Y軸類(lèi)似，不再贅述。

3　控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制要求得以實(shí)現(xiàn)的核心?；赟TEP 7-Micro/WIN的編程軟件，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程需要具體的程序?qū)崿F(xiàn)。為了便于查看和修改程序，在主程序設(shè)計(jì)中采用了調(diào)用程序塊的方式，分別編寫(xiě)了尋零、啟動(dòng)、停止、運(yùn)行等子程序。如圖4所示。

圖3　步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接線(xiàn)圖

圖4　主程序設(shè)計(jì)框圖

在程序運(yùn)行之前需要初始化內(nèi)部寄存器，同時(shí)對(duì)外部的外接設(shè)備也進(jìn)行初始化，電機(jī)及氣缸復(fù)位。在初始化完成后調(diào)用各個(gè)子程序。尋零程序塊是使用指令控制或Q0_x_Home功能塊使步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行X軸、Y軸、Z軸回原點(diǎn)；在尋零完成以后響應(yīng)請(qǐng)求啟動(dòng)、停止和全局參數(shù)調(diào)用等功能。子程序中還設(shè)計(jì)了手動(dòng)調(diào)試與自動(dòng)控制的切換程序。采用PTO指令向?qū)нM(jìn)行手動(dòng)調(diào)試程序的編寫(xiě)，通過(guò)編程向?qū)蒔TO指令模塊完成手動(dòng)調(diào)試過(guò)程。在自動(dòng)控制中設(shè)計(jì)了方式一、方式二的切換程序。在完成控制方式的選擇以后，即可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。下面就尋零程序設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制方式一程序設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

3.1尋零程序設(shè)計(jì)

使用指令控制步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行X軸、Y軸、Z軸回原點(diǎn)動(dòng)作，如果上電后步進(jìn)電機(jī)不執(zhí)行尋零動(dòng)作，則將以掉電前步進(jìn)電機(jī)所在的位置作為原點(diǎn)位，使用Q0_x_Home功能塊尋找X軸、Y軸參考點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)將按照預(yù)先定義好的位置尋找參考點(diǎn)。X軸、Y軸的尋零程序如圖5所示。Z軸亦同。

3.2自動(dòng)控制方式一程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制方式一中要求在按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手在三個(gè)軸上分別移動(dòng)，最終移動(dòng)到A區(qū)坐標(biāo)位置時(shí)吸取物料，之后將吸取的物料分別移動(dòng)至B區(qū)要求的位置后放下。吸取物料和放置物料的位置需要事先通過(guò)機(jī)械手的移動(dòng)來(lái)獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中假設(shè)吸取物料的位置坐標(biāo)分別定位為14860，12866，18015，放置物料的坐標(biāo)分別定位為-15147，14181，15124。上述的位置都是相對(duì)于原點(diǎn)位置的絕對(duì)位置，將此數(shù)據(jù)編制在相應(yīng)的程序中，通過(guò)機(jī)械手從A區(qū)到B區(qū)的多次重復(fù)移動(dòng)，直至將物料在B區(qū)擺放出要求的方形形狀為止。具體編寫(xiě)程序的流程如圖6所示。

圖5　尋零程序

圖6　自動(dòng)控制方式一流程圖

自動(dòng)控制方式二要求將物料擺放出圓形形狀。其控制流程和自動(dòng)控制方式一類(lèi)似，皆是從A區(qū)將物料吸取放置到B區(qū)，只是吸取物料和放置物料的位置坐標(biāo)不同而已。程序編寫(xiě)時(shí)只需修改吸取和放置物料的坐標(biāo)位置和次數(shù)即可。

本程序結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足了機(jī)械手運(yùn)行軌跡柔性化的工藝要求。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)行軌跡發(fā)生變化時(shí)只需要改變自動(dòng)控制方式下的程序即可實(shí)現(xiàn)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以工業(yè)自動(dòng)化中機(jī)械手的控制要求為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于PLC的三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡的分析實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在不同控制方式下搬運(yùn)、抓取、移位等的動(dòng)作，完成將物料從某區(qū)傳送到另一區(qū)域并將工件擺放出一定形狀的要求。程序編寫(xiě)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)清晰，便于檢查。本設(shè)計(jì)方案僅通過(guò)改變自動(dòng)控制方式下運(yùn)行程序就可改變機(jī)械手隨工藝變化的的運(yùn)行軌跡，滿(mǎn)足了柔性化生產(chǎn)線(xiàn)高效率、高質(zhì)量的加工要求，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，是制造領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

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Design and implementation of control system for three-axis manipulator based on PLC

LIU Yan, ZOU Ping, GUAN Wen-juan

TH181；TP273

A

1009-0134(2016)07-0021-04

2016-03-06

劉燕（1964 -），女，山東濟(jì)寧人，教授，碩士，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與科研工作。