基于S7—200PLC的機(jī)械手運(yùn)動控制
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工業(yè)機(jī)械手（以下簡稱機(jī)械手）是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，越來越多地被研究和應(yīng)用。本設(shè)汁的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器S7—200PLC，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
1機(jī)械手的選擇
根據(jù)古典力學(xué)的觀點(diǎn)，物體在三維空間內(nèi)的靜止位置是由三個坐標(biāo)或圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的。因此，物體的位置和方向（即關(guān)節(jié)的角度）能從理論上求得。在實際生產(chǎn)生活中，機(jī)械手的自由度不是盲目模仿人手的動作來確定的，而是根據(jù)實際需要的動作，設(shè)計出最少自由度的機(jī)械手來滿足作業(yè)要求。所以一般專用機(jī)械手（不包括握緊動作）通常只具有2～3個自由度。而通用機(jī)械手則一般取4～5個自由度。本設(shè)計采用的機(jī)械手共有5個自由度。
這五個自由度為機(jī)械手能夠做出手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓緊，該機(jī)械手示意圖如圖1所示。
圖1 機(jī)械手示意圖
2動力裝置的選擇
工業(yè)機(jī)械手要求精度非常高，所以本設(shè)計采用的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)宋控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
不過步進(jìn)電機(jī)需要在驅(qū)動器的作用下才能正常工作，所以還要選擇驅(qū)動器，本設(shè)計選擇的是價格便宜而又方便使用的中美合資SH系列步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等，實物圖和接線原理圖分別如圖2和圖3所示。
圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊實物圖
圖3 驅(qū)動模塊與步進(jìn)電機(jī)的接線示意圖
電源輸入部分：由電源模塊提供，用兩根導(dǎo)線連接，注意極性。
信號輸入部分：信號源由PTO主機(jī)提供。由于PTO提供的電平為24V，輸入部分的電平為5V，中間加了保護(hù)電路。
輸出部分：與步進(jìn)電動機(jī)連接，注意相序。
3傳感器的使用
采用近位開關(guān)作為手爪旋轉(zhuǎn)和底盤旋轉(zhuǎn)眼位檢測用；采用限位開關(guān)，作為橫軸、縱軸限位檢測用。
近位開關(guān)：有3根連接線（紅、藍(lán)、黑），紅色接電源正極、黑色接電源負(fù)極、藍(lán)色為輸出信號，當(dāng)與擋塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。
選用型號：ASL-300Q（磁感應(yīng)式320），其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。
圖4 近位開關(guān)原理圖
限位開關(guān)：當(dāng)擋塊碰到限位開關(guān)時動作（常開點(diǎn)閉合），選用型號：ASL-300M（機(jī)械式310）
4電氣接線圖
電氣接線圖如圖5所示。
圖5 電氣接線圖
5控制流程設(shè)計
本次設(shè)計為空間內(nèi)兩點(diǎn)間的物件循環(huán)搬運(yùn)動作。具體控制流程如下：開啟PLC，如果機(jī)械手不在初試位置上，步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)（橫軸向手爪方向移動，豎軸向下移動），機(jī)座伺服電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)到零刻度位置。初始化完成后，首先載入物件所在位置在柱面坐標(biāo)系下對應(yīng)的脈沖數(shù)，橫軸、豎軸步進(jìn)電機(jī)和機(jī)座伺服電機(jī)同時工作，橫軸向前伸，豎軸向上升，機(jī)座正轉(zhuǎn)；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)因脈沖輸完而中斷停止，伺服電機(jī)伸到位后，手腕電動機(jī)得電帶動手腕反向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測到限位磁頭時，電動機(jī)停止，PLC控制電磁閥動作，手爪夾緊，延時一段時間后，然后載入目的地所在位置在柱面坐標(biāo)系下對應(yīng)的脈沖數(shù)，橫軸、豎軸步進(jìn)電機(jī)和機(jī)座伺服電機(jī)同時工作，返回到物件所在位置；手腕電動機(jī)得電帶動手腕正向旋轉(zhuǎn)，電磁閥復(fù)位，手爪松開延時一段時間；最后判斷主程序開關(guān)狀態(tài)，若仍然開啟，則開始下一周期的搬運(yùn)動作?？刂屏鞒虉D見圖6所示。
圖6 控制流程圖
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