基于可编程控制器的机械手模型控制系统设计

李录锋

LI Lu-feng

（徐州建筑职业技术学院，徐州 221116）

0 引言

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机械手技术涉机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统和继电器接触器控制系统相比具有动作简便、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，降低了维修率，提高了工作效率[1]。

1 PLC控制系统的硬件设计

机械手模型的PLC控制系统的硬件结构有：滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹、步进电机、直流电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成。该系统是PLC技术、位置控制技术、气动技术有机结合成一体的机械手模型控制系统[2]。

1.1 步进电机

该系统需要进行微量控制，可以实现微量控制的有：步进电机，直流伺服电机、交流伺服电机，但是对于后两个，需要有精密的传感器且必须构成闭环控制系统才可以实现微量控制，线路复杂，成本较大。而步进电机具有良好的低速运行和较宽的运行功能，而且具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其他任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，所以系统选用步进电机构成驱动系统，电机采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，与直流电机相比有更好的制动效果，该电机和滚珠丝杆、滑杆配合，可以使机械手的运动更加稳定。

1.2 步进电机驱动器

步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。系统采用由AT89C2051组成的步进电机驱动器来驱动步进电机，AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4～P1.7输出，反相后进入放大环节，放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。

驱动器参数如下表1、表2、表3、表4所示。

表1 电气规格

表2 电流设定

表3 细分设定

表4 接线信号描述

图1 PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理

1.3 传感器

该系统的基座和气夹的正反转限位采用接近开关，通过调整基座和气夹上的金属块的位置，可以在一定范围内改变基座和气夹的旋转角度。机械手的伸缩、升降均采用行程开关来限位，并通过改变行程开关的位置来调节横轴和竖轴的运动范围[4]。

1）接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效，工作原理如图2所示。

2）行程开关：当档块碰到开关时，常开点闭合。

图2 传感器工作原理图

2 PLC控制系统的程序设计

2.1 I/O点数的确定及PLC类型的选择

系统选用日本三菱公司生产的多功能小型FX1N-24MT-D主机，该机输入点为14个，输出点为10个[5]。可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行。由于机械手系统的输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手的控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，仅需11个输入点和9个输出点，考虑留有一定的裕量。

2.2 PLC的输入/输出点分配

根据机械手动作的要求及FX1N-24MT-D的特点，输入、输出点分配如表4所示。

2.3 控制系统设计.

机械手系统的程序总体结构如图3，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。CJ（FNC00）是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。如果选择“手动”工作方式，即 X0为 ON，X1为OFF则PLC执行完公用程序后将跳过自动程序到P0处，由于X0动断触点断开所以直接执行“手动程序”。由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过回原位程序到P2处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序，如果选择“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。

图3 程序流程图

3 抗干扰设计

为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，从设计阶段开始便采取了三个方面抑制措施：抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。

该控制系统的抗干扰措施有：

1）采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰。

2）硬件滤波及软件抗干扰措施，信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。

4 结束语

该系统的自动化程度高、工作可靠、稳定。控制系统采用单片机的直接控制结构，各模块分工明确、整个系统安排合理、简洁、功能明确、方便维修和故障处理；程序调试方便；软、硬件抗干扰措施并重，该设计为机械手长期稳定工作提供了技术上的基本保障.为工业生产和其他领域内的人们工作安全提供了保障，同时也提高了工业生产的效率。

[1] 吴明亮,蔡夕忠.可编程控制实训教材[M].北京：化学工业出版社, 2005.

[2] 张桂香.机电类专业毕业设计指南[M].北京：机械工业出版社, 2005.

[3] 瞿大中.可编程控制与实验[P].华中科技大学出版社,2002.

[4] 殷建国.工厂电气控制技术[M].北京：经济管理出版社,2006.

[5] 廖常初.可编程序控制器应用技术(第四版)[M].重庆：重庆大学出版社, 2005：1-14.

[6] 王承义.机械手及其应用[M].北京：机械工业出版社, 1981：12-25.

[7] 陈恳,杨向东,刘莉,杨东超.机器人技术与应用[M].北京：清华大学出版社, 2006： 27-35.

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[9] 郭洪红.工业机器人技术[M].西安：西安电子科技大学出版社, 2006： 20-28.

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