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基于PLC机械手控制设计方案设计方案.pdf
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关键词:机械手 伺服电机 PLC 步进电机
随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快,人们对生产效率也不断提出新要
求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善,使机械
手技术快速发展,其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低
廉、维修方便和系统安全可靠等特点,已渗透到工业领域的各个部门,在工业发展中占有
重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY 轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机
械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作,能放置在各种不同的生产线或物流流
水线中,使零件搬运、货物运输更快捷、便利。
一 四轴联动简易机械手的结构及动作过程
机械手结构如下图 1 所示,有气控机械手(1)、XY 轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基
座(4)等组成。
其运动控制方式为:(1)由伺服电机驱动可旋转角度为 360°的气控机械手(有光电传感器
确定起始 0 点);(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿 X、Y 轴移动(有 x、y 轴限位开
关);(3)可回旋 360°的转盘机构能带动机械手
及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成);(4)旋
转基座主要支撑以上 3 部分;(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧,放气时
机械手松开)。
其工作过程为:当货物到达时,机械手系统开始动作;步进电机控制开始向下运动,
同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动;伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物
的方位处,然后充气,机械手夹住货物。
步进电机驱动纵轴上升,另一个步进电机驱动横轴开始向前走;转盘直流电机转动使
机械手整体运动,转到货物接收处;步进电机再次驱动纵轴下降,到达指定位置后,气阀
放气,机械手松开货物;系统回位准备下一次动作。
二 控制器件选型
为达到精确控制的目的,根据市场情况,对各种关键器件选型如下:
1.步进电机及其驱动器
机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的 42BYG250C 型两
相混合式步进电机,步距角为 0.9°/1.8°,电流 1.5A。M1 是横轴电机,带动机械手机构伸、
缩;M2 是纵轴电机,带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403
型,该驱动器采用 10~40V 直流供电,H 桥双极恒相电流驱动,最大 3A 的 8 种输出电流
可选,最大 64 细分的 7 种细分模式可选,输入信号光电隔离,标准单脉冲接口,有脱机保
持功能,半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境,提供节能的自动半电流方式。驱动器内
部的开关电源设计,保证了驱动器可适应较宽的电压范围,用户可根据各自情况在10~
40VDC 之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩,但却会加大
驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为 3A/相(峰值),通过驱动器面板上六位拨
码开关的第 5、6、7 三位可组合出 8 种状态,对应 8 种输出电流,从 0.9A到 3A 以配合不
同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4 细分、8 细分、16 细分、32 细分和 64
细分 7 种运行模式,利用驱动器面板上六位拨码开关的第 1、2、3 三位可组合出不同的状
态。
2.伺服电机及其驱动器
机械手的旋转动作采用松下伺服电机 A 系列小惯量 MSMA5AZA1G ,其额定输出 50W 、
100/200V 共用,旋转编码器规格为增量式(脉冲数 2500p/r、分辨率 10000p/r、引出线 11
线);有油封,无制动器,轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法,使速度频率
响应提高 2 倍,达到 500Hz ;定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品 V 系列的
1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能,可弥补机械的刚性不足,从而实现
高速定位,也可通过外接高精度的光栅尺,构成全闭环控制,进一步提高系统精度。具有
常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式,还配有RS-485、RS-232C
通信口,使上位控制器可同时控制多达 16 个轴。伺服电机驱动器为 A 系列
MSDA5A3A1A ,适用于小惯量电动机。
3.直流电机
可回旋 360°的转盘机构有直流无刷电机带动,系统选用的是北京和时利公司生产的
57BL1010H1 无刷直流电机,其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无
刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的 BL-0408驱动器,其采用 24~48V 直流供
电,有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护,且有故障报警输出、外部模拟量调速、
制动快速停机等特点。
4.旋转编码器
在可回旋 360°的转盘机构上,安装有 OMRON 公司生产的 E6A2 增量型旋转编码器,
5. PLC的选型
根据系统的设计要求,选用 OMRON 公司生产的 CPM2A 小型机。CPM2A 在一个小巧
的单元内综合有各种性能,包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟
功能等。CPM2A 的 CPU 单元又是一个独立单元,能处理广泛的机械控制应用问题,所以它
是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它
OMRON PC 和 OMRON 可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的
融合到工业控制系统中。
三 软件编程
1.软件流程图
流程图是 PLC 程序设计的基础。只有设计出流程图,才可能顺利而便捷地编写出梯形
图并写出语句表,最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做
的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求,绘制流程图如图2 所示。
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