汽车板簧搬运机械手控制系统设计

摘 要 I 摘 要 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。随着工 业生产强度和效率的提高，机械手的应用越来越普遍。通用机械手具有独立的 控制系统，程序可变，动作灵活多样的优点。对于提高劳动生产率，减轻工人 的劳动强度，保障人身安全，改善劳动环境等具有十分重要的现实意义。 本设计是为汽车板簧的搬运工作配置专用机械手。该设备主要由控制系统、 驱动系统、执行机构、位置检测等四部分组成。本设计采用交流伺服电机带动 搬运机械手在 XYZ 轴上的运动，采用西门子 S7-200 型 PLC 作为控制器，并设 计了检测装置和保护装置。该机械手的控制可分为手动控制和自动控制两种方 式。其中自动控制又分为：单周期和连续周期操作两种控制方式。 应用 PLC 控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质 量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生 产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 关键词：搬运机械手，控制系统，驱动系统，PLC Abstract II Abstract Manipulator is a new type of device in the production process of mechanization and automation. With the intensity and efficiency of industrial production, the application of mechanical hand is increasing. General manipulator owns the advantages of independent control systems, variable process and flexible movement. This article completes the design of robot cars leaf spring carrying manipulator system mainly in the fields of the executive body, the drive system, the control system and the position detection. This design uses a servo motor to drive the robot movement in the XYZ shaft. Based on the PLC of Siemens S7-200,this design of the control system introduces the PLC in the general manipulator handling control system. We also need the detection devices and trip protection devices. According to the process of the campaign requirements, it include manual movement control, single- cycle movement control and the continuous cycle of movement control. PLC controlled robot can finish a variety of required actions. It can not only improve the quality and amount of product but also has a very significance to protect the personal safety, to improve the working environment, to reduce labor intensity, to improve labor productivity, to economize the material consumption and to lower the production costs. Keywords: Carrying Manipulator, PLC, Control system, Drive system 目 录 III 目目 录录 摘 要 . ABSTRACT. 目 录 . 第一章 绪 论 .1 1.1 机械手的发展概况及趋势.1 1.2 机械手的应用意义.2 1.3 搬运机械手设计参数指标.2 第二章 机械手控制系统总体方案设计 .4 2.1 搬运机械手原理分析4 2.2 设计方案的选择5 2.2.1 基于单片机的机械手控制 5 2.2.2 传统继电器实现对机械手的控制 5 2.2.3 利用 PLC 实现对机械手的控制 .6 2.2.4 总体设计方案 .8 2.3 搬运机械手控制系统原理图 .8 第三章 机械手控制系统的硬件设计 . 10 3.1 机械手爪的选型 10 3.2 驱动电机的选型 11 3.2.1 步进电机和交流伺服电机的性能比较. 11 3.2.2 直流伺服电机和交流伺服电机的性能比较 14 3.2.3 交流伺服电机的选型 . 14 3.3 检测和保护装置的选型 17 3.3.1 行程开关的选型 17 3.3.2 光电开关的选型 18 3.3.3 高速计数器的选型 . 18 3.4 控制面板设计 19 目 录 IV 3.5 PLC 选型 20 3.5.1 PLC 的类型 20 3.5.2 I/O 分配 21 3.5.3 综合性考虑 23 3.6 PLC 原理接线图 24 第四章 机械手控制系统的软件设计 . 26 4.1 控制系统主程序设计 26 4.1.1 主程序流程图 26 4.1.2 主程序设计 26 4.2 自动控制子程序设计 . 28 4.2.1 自动控制子程序流程图 . 28 4.2.2 自动控制子程序原理及程序设计 28 4.3 手动控制子程序设计 32 4.4 复位子程序设计 32 结 论. 33 参考文献 . 34 致 谢 . 35 附 录 . 36 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 机械手的发展概况及趋势 随着自动化技术在工业方面的普及和发展，对于控制器的需求日益增加， 搬运机械手在实际中的应用逐渐普及，在汽车、电子和机械等领域的生产流水 线方面，机械手能够更好地节约时间和资源、提高运输效率，解决了其他搬运 方式缺点，更好的发展现代化经济。 机械手的发展经历主要分为三代。第一代，机械手主要是通过人进行控制， 其控制方式是开环的，无识别能力，主要的改进方向为将低成本、提高控制精 度。第二代，机械手安装有电子计算机控制系统，使机械手具有视觉和触觉能 力，有时甚至可以具备听和想的能力，通过研究并安装各类传感器，将接收的 信息进行反馈，使得机械手具备感觉能力。第三代，机械手可以独立完成各种 工作任务，并和电子计算机等设备可以进行信息交流，机械手逐步发展成为柔 性系统和柔性制造单元中十分重要的一个环节。 目前，国内工业机械手主要是应用在机床加工、铸锻和热处理等方面，无 论是数量、品种还是性能方面，国内的机械手都无法满足工业生产发展的需求。 国内机械手的发展，主要扩大其应用的范围，其中重点发展的方面为铸锻和热 处理，为了改善工作条件以减轻工作强度。专业机械手的不断应用，与此同时 通用机械手迅速发展，研制计算机控制机械手、组合式机械手等。在国外，机 械生产中，机械手应用十分广泛，发展迅速，主要用在机床下料、点焊、喷漆 等工作中。国外机械手的发展趋势是研制使其具有某些智能，是机械手拥有一 定的传感能力，可以反馈外界的变化，并做出相应的变化。如机械手的位置发 生偏差时，能够自行检测并自我更正。国外机械手的研究方向主要是触觉和视 觉功能。触觉功能：在机械手上装有触觉反馈控制装置。机械手工作时，伸出 机械手手爪去寻找工件，通过安装在机械手上的压力传感器等元件产生触感作 用，对获得信号进行处理，如果寻找到工件则机械手手爪抓住工件。视觉功能： 在机械手上装有采集图像、视频与距离等信号的传感元件，如电视照相机作为 图像、视频采集元件，光学测距仪作为距离传感器，以及卫星计算机等。机械 第一章 绪论 - 2 - 手工作时，照相机采集物体的视频信号传送给计算机，计算机分析物体的颜色、 形状、大小、种类以及具体位置，然后对机械手发出相应的控制操作指令进行 工作1。 1.2 机械手的应用意义 在实际机械生产中，由于机械手的应用使得机械生产的环境、生产效率等 都得到改善。具体的应用意义概括如下： 1.提高了机械生产的自动化程度 在工业生产中，机械手的应用可以提高工件的搬运和操作工具的更换自动 化程度。因此，机械手的应用，使劳动生产率得到提高、生产成本降低，有利 于工业生产自动化的实现。 2.改善了劳动生产的工作条件 在高温、低温、高压、低压、有噪声、灰尘、放射性或其它有毒性污染等 恶劣环境，或者工作空间十分狭窄，人工无法直接操作的场合，甚至有生命危 险的工作条件下，通过机械手的应用，可以代替人完成作业。由于机械手的应 用，改善了工人生产条件。在动作简单、重复率高的操作工作中，用机械手代 替人进行实际工作，可以避免工作人员由于工作疲劳而造成的生产事故。 3.便于有节奏的高效生产 机械手代替人进行实际生产，可以减少人力，并可以提高生产效率。同时， 由于机械手的应用，生产过程可以连续循环进行，可以延长生产时间。因此， 在自动生产线上，大都安装机械手，可以更准确地控制工业生产，便于实际生 产有节奏地进行。 1.3 搬运机械手设计技术指标与参数 本设计的机械手控制系统的控制要求： 最大运动速度： 0.4m/s； 横向移动距离： 6000mm； 纵向移动距离： 1200mm； 第一章 绪论 - 3 - 前后移动距离： 1000mm； 板材长度： 6001600mm； 板材宽度： 40120mm； 板材最大厚度： 60mm； 板材重量： 60kg； 移动精度： 0.5mm。 第二章 总体设计方案 - 4 - 第二章 总体设计方案 2.1 搬运机械手原理分析 机械手工作原理示意图如图 2-1 所示。 图 2-1 机械手工作原理示意图 第二章 总体设计方案 - 5 - 搬运机械手的工作方式分为手动、自动两种，其中自动工作方式又分为单 周期和连续两种工作方式。手动操作动作：上升、下降、左移、右移、前移、 后移以及机械手爪的夹紧、放松等八种动作。机械手的工作方式由机械手控制 面板进行选择。 搬运机械手可以在空间内任意的工作路线进行工件的搬运，无论是两维平 面、三维空间都可以按照规定的要求进行搬运。举例说明，图 2-1 为机械手在 自动操作状态下，搬运机械手的初始位置（原点）为图中A 点，机械手 的任务是把工件从 M 点搬运到 N 点。 工作过程如下： 搬运机械手处于原位，在机械手控制面板上，选择机 械手的工作方式为自动操作状态，单周期或连续工作方式。按下启动按钮， X 轴电机工作，由原点右移至A 点。Y 轴驱动电机工作，由原点 A 前移 行至 B 点，Y 轴驱动电机自停。检测工件是否存在，如果没有工件，机械 手等待，持续检测直到检测到工件存在。驱动Z 轴电机，下降到 M 点后 自停，机械手手爪夹紧工件。然后驱动Z 轴电机，上升到位后自停。接着 驱动 X 轴电机机械手右移，行至 C 点自停。然后驱动 Y 轴电机行至 D 点 自停。检测支架上是否存在工件，如果有工件，机械手等待，持续检测直到 检测到支架上没有工件，然后驱动Z 轴电机，机械手下降到 N 点，机械 手手爪放松放置工件。接着驱动Z 轴电机上升到位并自停，同时驱动X 轴电机左移至原点，至此一个周期的动作结束。如果是连续工作方式，驱 动 Z 轴电机，然后循环动作。如果是单周期工作方式，驱动X 轴电机左 移至原点后自停，不再动作。 2.2 设计方案的选择 2.2.1 基于单片机的机械手控制 由单片机设计的系统有一个共性：抗干扰性差。由于机械手一般都应用在 情况比较特殊、复杂的工业现场，存在比较多的干扰源。因此，由单片机设计 的系统无法保证长期的稳定工作，所以不宜选用这种方案。 2.2.2 利用传统继电器实现对机械手的控制 第二章 总体设计方案 - 6 - 利用传统的继电器实现对机械手的控制，这种控制系统是利用六个传统继 电器作为限位开关和辅助电路，实现机械手功能。由于传统继电器触点接触不 良，故障概率较高，接线复杂，抗干扰能力差，所以难以实现模块化和智能化， 性价比较低。因此，这种控制方式已逐渐被淘汰，这种控制系统不适合选用此 方案。 2.2.3 利用 PLC 实现对机械手的控制 可编程逻辑控制器，简称 PLC。PLC 是一种工业控制计算机，主要是为在 工业环境下操作而设计。PLC 采用可编程存储器，用于存储 PLC 内部程序，可 以执行顺序控制、逻辑运算、定时、计数与算术操作等。可编程控制器及相关 的外部设备，可以方便的与工业控制系统连成一体，有利于扩充其功能2。现 代工业生产过程复杂多样，对于控制有更高的要求，为了适应工业的作业环境， PLC 具有以下特点。 1抗干扰能力强、可靠性高 针对恶劣的工业环境，如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化 等，为提高抗干扰能力，使 PLC 可靠地工作： （1）PLC 主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O 系统设计有完 善的通道保护与信号调整电路； （2）在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等以适应电网电压波动和过 电压、欠电压的影响，其中各输入端均都采用 R-C 滤波器3； （3）在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑； （4）良好的自诊断功能，在软件上设置实时监控、自诊断、信息保护、 与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障的诊断、处理、报警显示及保护功 能； （5）为了适应特殊场合的需要，有的 PLC 还采用冗余设计，进一步提高 了其可靠性。 2控制系统结构简单，通用性强 第二章 总体设计方案 - 7 - 在 PLC 控制系统中，只需要在 PLC 的端子上接入相应的 I/O 输出信号线 即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。 PLC 的 I/O 可直接与交流 220V、直流 24V 等负载相连，并具有较强的带负载 能力。而且，同一个 PLC 装置用于不同的控制对象，只需对程序进行简单的修 改，对硬件部分稍作改动即可，具有极高通用性。 3编程方便，易于使用 PLC 的编程，采用了与继电器极其相似的梯形图语言，直观易懂，不需要 专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可在短时 间学会。近年来，又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart，SFC），也称功能图，使编程更简单、方便。 4控制系统设计、施工及调试的周期短 目前，PLC 已实现产品的系列化、标准化和通用化，用 PLC 组成控制系统， 在设计、安装、调试和维修等方面，表现了明显的优越性。由于 PLC 采用了软 件来取代继电气控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件， 控制柜的设计安装工作量大为减少，缩短了施工周期。 5安装简单，维护方便 PLC 的 I/O 端子能够直观地反映现场信号的变化状态，通过编程工具可以 直观地观察程序和控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O 点 状态、异常状态和电源状态等，极大地方便了维护人员查找故障，缩短对系统 的维护时间。而且，PLC 的低故障率及很强的监视功能和模块化设计结构，使 维修也极其方便。 机械手通常应用于动作复杂、环境恶劣的环境来代替人反复的操作，从而 节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动 作简单的电气及流水线控制，而 PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强；控制系统 构成简单、通用性强；编程简单、使用、维护方便；组合方便、功能强、应用 范围广；体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作 复杂的场合，以 PLC 的控制为基础可以实现机械手的各种动作。 第二章 总体设计方案 - 8 - 本次设计，利用 PLC 作为控制系统，可以更容易实现。第一，利用 PLC 之后，对于复杂系统，可以减少很多的继电器。第二，即使小型 PLC，其体积 与几个继电器差不多，开关柜的体积大大缩小，一般会缩小至原来的 1/2 到 1/10 之间4。第三，继电器控制系统的配线相对于 PLC 比较复杂，所以 PLC 控 制系统可以减少大部分安装接线，减少费用。 综上所述，选用 PLC 实现对机械手的控制为最佳方案。 2.2.4 总体设计方案 总体设计方案：汽车板簧搬运机械手由气动机械手爪、支撑横梁、XYZ 轴 驱动电机、PLC 控制系统等组成。机械手的系统结构，主要包括控制系统、驱 动系统、执行机构、检测装置。控制系统采用 PLC 控制，驱动系统主要由 XYZ 轴驱动电机构成，通过 XYZ 轴驱动电机的正反转，实现机械手上升、下 降、前进、后退、左移、右移的运动；执行机构主要由气动机械手构成，其动 作转换靠设置在各个不同部位的位置传感器产生的通断信号传输到 PLC 控制器， 通过 PLC 内部程序输出不同的信号，从而驱动外部电机产生不同的动作。搬运 机械手通过选择不同操作方式，以实现不同 PLC 程序运行，对 XYZ 轴驱动电 机进行不同方式的控制，实现机械手在 XYZ 三轴方向上规定要求的运动。 2.3 搬运机械手控制系统原理图 通过对汽车板簧搬运机械手工作原理与要求的分析，机械手控制系统原理 图如图2-2所示。 第二章 总体设计方案 - 9 - 自动操作 手动操作 手动/自动转换 位置检测 工件检测 限位开关 过流过压 原点指示灯提示 X 轴驱动电机左右运 动 Y 轴驱动电机上下运 动 Z 轴驱动电机前后运 动 机械手爪动作 报警、急停 控制系统 PLC 图 2-2 搬运机械手 PLC 控制原理图 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 10 - 第 3 章 机械手控制系统的硬件设计 搬运机械手的系统结构，主要包括控制系统、驱动系统、执行机构、检测 装置等四部分。本设计需要对机械手系统机构进行选择，主要是完成机械手爪、 驱动电机、控制系统、光电开关、行程开关等器件的选型。 3.1 机械手爪的选型 机械手爪的种类，按驱动方式可分为机械式、液压式、电动式、气动式机 械手爪5。 1机械式机械手爪 机械式机械手爪是最古老的机械手爪，它结构简单，自由度低，操作极不 灵活，不宜实现自动化控制，因而不适合智能化工业生产，已经逐渐被淘汰， 显然不宜采用机械式机械手爪。 2液压式机械手爪 液压机械手主要由夹紧缸、伸缩缸、升降缸、回转缸组成，实现空间夹紧、 平动、俯仰、回转 4 个自由度动作，有较强的灵活性6。但是液压系统具有以 下几个缺点： （1）损失大、效率低、发热大。 （2）不能得到定比传动。 （4）采用油作为传动介质时还需要考虑注意防火的问题。 （5）液压元件加工精度要求高，造价高。 （6）液压元件的故障排查比较难，对操作人员的技术水平要求高。 所以在没有特殊要求的情况下，工业上简单的搬运机械手不宜采用液压机 械手爪。 3电动式机械手爪 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 11 - 电路结构复杂，维修人员技术要求高，成本较高，不适合简单的工业机械 搬运。 4气动式机械手爪 气动技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传递技术，其工作可 靠性高、使用寿命长、对环境没有污染，所以在机械手爪的驱动系统中常采用 气动技术。气动机械手爪作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作 迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点7。因此，本设计采用气动式机 械手爪。 3.2 驱动电机的选型 3.2.1 步进电机和交流伺服电机的性能比较 1步进电机 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换为相应的角位 移或线位移的电动机。因此，步进电机又被称为脉冲电动机。由于步进电机每 步的精度在百分之三到百分之五之间，并且不会把上一步的误差积累到下一步， 因此，步进电机不但具有较好的位置精度和运动的重复性，而且具有优秀的起 停和反转响应。由于步进电机没有电刷，可靠性较高。但是，步进电机在性能 方面有以下不足： （1）低频特性 步进电机在低速运转时，经常出现低频振动的现象，而且电机的振动频率 与负载情况以及驱动器的性能有关。低频振动现象，是由步进电机的工作原理 所导致的，这对于电机的正常工作是不利。因此，当步进电机在低速工作时， 都会采取其他措施来克服低频振动现象。步进电机一般会采用阻尼技术，例如 在步进电机上加阻尼器等8。 （2）速度响应 步进电机在速度响应方面，性能比较差，电机由静止加速到正常工作转速， 需要 200400 毫秒。一般认为步进电机的正常转速为每分钟几百转。 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 12 - （3）矩频特性 步进电机的矩频特性，电机输出力矩会随电机的转速升高而逐渐下降。而 且，在电机转速较高时，输出力矩会急剧下降。步进电机的工作转速，一般认 为最高在 300600RPM。 （4）运行性能 步进电机的控制方式为开环控制，步进电机的启动频率过高或者负载过大 都容易引起电机堵转。当电机停止时，会因电机的转速太高而出现过冲。所以， 为了保证步进电机的控制精度，要注重电机的升速和降速。 （5）控制精度 步进电机的控制精度是依据其步距角的大小，其中一般的两相混合式步进 电机的步距角为 3.6和 1.8，五相混合式步进电机的步距角为 0.72 和 0.36， 也有一些高性能的步进电机，步距角更小，控制精度更高 。如三相混合式步 进电机。 （6）过载能力 一般的步进电机不具备过载能力。在步进电机选型时，为了克服惯性力矩， 往往需要选取转矩较大的电机。但是机器在正常工作时，根本不需要太大的转 矩，因此电机就会出现力矩浪费的情况。 2交流伺服电机 伺服驱动系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，其 中在伺服驱动系统中使用的驱动电机称为伺服电动机。交流伺服电机在控制系 统中作为执行元件，将接收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输 出。在伺服系统中，驱动器与编码器是两个必要组成部分，伺服驱动器控制部 分通过读取编码器获得的反馈信号，如：转子速度、转子位置和机械位置等， 然后伺服驱动器根据编码器的反馈值，再与目标值比较。根据比较的结果，由 驱动器调整转子转动的角度。由交流伺服电机的工作原理可知，伺服电机的速 度控制、伺服电机的转矩控制、机械位置同步跟踪、定点停车等工作交流伺服 电机均可完成。 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 13 - （1）低频特性 交流伺服电机，当正常运转时，转速平稳。即使电机在低速运转时，电机 都不会出现低速振动的现象。交流伺服系统有共振抑制特性，可弥补电机的机 械刚性不足的缺点。而且，交流伺服系统内部具有频率解析的机能，并且可以 检测出机械共振点，以便于系统的调整。 （2）速度响应 交流伺服电机，加速响应比较快。例如，松下 MSMA 400W 伺服电机，在 几毫秒的时间内，电机便可以由静止加速到电机的额定转速 3000RPM。因此， 交流伺服电机可以用在快速启停的控制场合。 （3）矩频特性 在交流伺服电机额定转速以内，都能输出额定转矩，即为恒力矩输出。交 流伺服电机的额定转速一般为 2000RPM 或 3000RPM。当交流伺服电机在额定 转速以上时，为恒功率输出。 （4）运行性能 交流伺服驱动系统的控制方式为闭环控制，伺服驱动器对编码器的反馈信 号直接进行采样，其内部构成位置环和速度环。因此，一般交流伺服电机不会 出现像步进电机丢步或过冲的类似现象，交流伺服电机的控制性能更可靠。 （5）控制精度 交流伺服电机，其控制精度主要取决于编码器的位数。定位精度，指在一 圈下的编码器脉冲数所对应的行程。一般编码器安装在交流伺服电机轴后端。 例如松下全数字式交流伺服电机，带标准 2500 线编码器，因为驱动器采用了 四倍频技术，所以它的脉冲当量为 360/10000=0.036。如果编码器为 17 位， 那么驱动器每接收=131072 个脉冲，则电机转动一圈，所以其脉冲当量为 17 2 360/131072 = 9.89 秒，相当于步距角为 1.8的步进电机的 1/655。因此，交流 伺服电机的控制精度远远优越于步进电机9。 （6）过载能力 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 14 - 交流伺服电机，过载能力强。例如，松下交流伺服系统，它不仅具有速度 过载能力，还具有转矩过载能力。它的最大转矩为是其额定转矩的三倍，因此 在启动瞬间，可以克服惯性负载的惯性力矩10。 综上所述，通过交流伺服电机与步进电机在性能上的比较，包括低频特性、 速度响应性能、矩频特性、运行性能、控制精度、过载能力等 6 个方面，交流 伺服电机在很多性能方面都比步进电机更好。选用交流伺服电机可以更好地满 足要求。因此，选用交流伺服电机较为合适。 3.2.2 直流伺服电机和交流伺服电机的性能比较 按使用的电源性质不同，伺服电动机可以分为直流伺服电机和交流伺服电 机两大类。直流伺服电机，机械式结构复杂，维护工作量大，其中机械换向器 成为制约其发展的瓶颈。随着材料技术、电力电子技术、控制理论、计算机技 术、微电子技术和交流可变速驱动技术的快速发展，以及电动机制造工艺水平 的逐步提高，出现了永磁式同步伺服电动机等新型交流伺服电动机。目前，高 性能交流伺服电动机已经成为伺服系统的主流。永磁交流伺服电动机与直流伺 服电动机相比较，交流伺服电机有以下优点： （1）惯量比较小，有利于提高系统响应的快速性。 （2）没有换向器和电刷的影响，工作更为可靠。 （3）适应于高速大力矩工作状态。 （4）定子绕组散热比直流伺服电机更方便。 （5）相同的功率情况下，交流伺服电机体积和重量都比较小。 考虑本系统的设计要求，选用交流伺服电机较为合适。 3.2.3 交流伺服电机的选型 1交流伺服电机概述 在自动控制系统中，交流伺服电机，当控制电压消失时，电动机能立即停 止，即交流伺服电机自制动。当交流伺服电机存在控制电压时，交流伺服电机 定子内会产生一个旋转磁场，转子便会沿着旋转磁场的方向旋转。当交流伺服 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 15 - 电机控制电压相位变为反向时，电动机就会反转。当负载恒定时，交流伺服电 动机的转速随着控制电压大小的变化而发生变化。 交流伺服电动机，一般输出功率为 0.1W 到 100W 之间。其工作频率，一 般为 50Hz 或 400Hz，当交流伺服电机的工作的电源频率为 50Hz 时，其额定工 作电压为 36V、110V、220、380V 等多种；当交流伺服电机的工作电源频率为 400Hz 时，其额定工作电压为 20V、26V、36V、115V 等多种11。 2交流伺服电机的选型 根据设计的要求，本设计的控制系统中的电动机选用松下 MINAS A4 系列。 该系列的电机有以下优点： （1）电动机采用了全封闭无刷结构，无需定期维护。 （2）该系列电动机定子不仅省去了铸件壳体，而且结构紧凑，因此该系 列电动机尺寸小，重量轻。 （3）该系列电动机定子铁心比一般的电动机开槽更多而且深，绕在定子 铁心上，绝缘可靠，所以磁场更加均匀。 （4）定子铁芯可以进行直接冷却，所以散热效果更好。 （5）具有高扭矩惯性比，电动机动态性能好，运行平稳。 根据本设计的主要技术指标与参数要求，选择伺服电机的型号以及相应的 伺服驱动器如表 3-1 所示。所选电机驱动器的主要参数如表 3-2 所示。所选伺 服电机的主要参数如表 3-3 所示。 表3-1 电机和驱动器型号 伺服电机驱动器编码器 MSMA302S1HMFDDTA390 增量式(2500 脉冲/转) 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 16 - 表3-2 松下伺服驱动器的主要参数 输入 型号 功率器件的最 大额定电流 电源电 压规格 电源检测器 额定电流 频率功率 MFDDTA390100A200V90A50/60Hz3KW 表3-3 松下电机主要参数 电机型号额定输出电压规格惯量轴油封 MSMA302S1H3KW200V小惯量键轴有 光电编码器 电机型号保持制动器 类型脉冲数分辨率线数 MSMA302S1H有增量式2500100005-线 3伺服控制器的输入输出和参数的设置 松下 MINAS A4 系列伺服驱动器的控制信号为数字信号十点输入、六点输 出。机械手控制系统采用伺服驱动器六种控制方式中较为简单的位置控制模式， 共用到了 5 个输入点、3 个输出点，如表 3-4 所示。为了使伺服系统工作于最 佳状态下，需设置其参数见表 3-5。 表3-4 伺服启动器控制端口 I/O分配 端口功能注释端口功能注释 I0伺服使能输入I4CW 驱动禁止输入 I1偏差计数器清零输入Q0伺服准备输出 I2指令分倍频选择输入 Q1 伺服报警输出 I3CCW 驱动禁止输入Q2定位结束输出 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 17 - 表3-5 伺服电机驱动器参数设置 参数编号 Pr.参数名设置值说明 02控制模式选择0设置为位置控制模式 04行程限位设置0行程限位有效 411 42 指令脉冲输入方式 3 设置为指令脉冲 +指令方向模式 60定位完成范围20 偏差脉冲数小于该数时， coin 有 输出 3.3 检测和保护装置的选型 机械手控制系统，需要设置检测装置和保护装置，其中检测装置包括对机 械手位置的检测、对工作台工件是否存在的检测等；保护装置主要是指为了避 免机械手设备冲出机械横梁，减少不必要的损失。本设计的检测装置选择光电 编码器完成对机械手位置的检测，由光电开关完成对工件是否存在的检测。保 护装置选择行程开关。 3.3.1 行程开关的选型 行程开关，又称为限位开关，是位置开关的一种。行程开关是一种常用的 小电流主令电器元件。其工作原理：利用生产机械运动部件的碰撞使行程开关 的触头动作，以实现对控制电路的接通或断开，实现其控制的性能。行程开关 主要是被用来限制机械运动的位置或者是行程。在生产过程中，生产机械可以 完成反向运动、自动往返运动、变速运动、按一定位置或行程自动停止以及其 他动作。在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位 置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点 系统和外壳组成。 根据此次搬运机械手的设计要求，行程开关的作用主要是保护作用。在本 次设计中，行程开关用来限制运动机械的运行范围，避免超过极限位置而造成 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 18 - 工作事故或者不必要的损失等。在本次设计中，需要在上、下、前、后、左、 右 6 端各安装一个行程开关，用来防止搬运机械手左右运动或者前后运动的时 候超出极限位置而产生机械故障。本设计选用广州第四机床厂 LXK2-411K 行 程开关。 3.3.2 光电开关的选型 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光 束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金 属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换 为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。 安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动 次数12。 按检测方式分类，常用的光电开关可分为三种：反射式、对射式和镜面反 射式。反射式光电开关，其检测的距离远，并且可以对半透明的物体进行密度 检测；反射式光电开关，工作距离较近；镜面反射式光电开关，反射距离远， 适合作远距离的检测，并且可以检测半透明甚至透明的物体。 根据设计要求，需要在起始位置、工件放置位置两个工位设计两个光电开 关，以检测工位上是否存在工件。本设计选用的光电开关型号为：山武 HP 系 列光电开关 HP100-A1 HP100。 山武 HP 系列光电开关，该系列光电开关在同行业内，检测距离最长，达 到 5M。即便是在原有镜片反射型光电开关检测不稳定的场所，该系列光电开 关照常可以正常使用；该系列光电开关采用偏光方式，完全解决了镜片反射体 的检测，大幅度地减少因传感器之间相互干扰而引起的误动作；HP100 具有独 特的相互干扰防止功能，减少外部干扰引起的误动作，大幅度加强了防止电机 等驱动系统干扰的功能；比原有产品节省约 50%的电量；不论是什么样的配线 错误，都不会烧坏，具有可应对所有配线错误的保护作业；防止了开关误操作， 将仅安装时使用的输出切换开关和灵敏度调整电位器配置在不同位置。 3.3.3 高速计数器的选型 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 19 - 从光电编码器输出的是脉冲信号，需要高频计数器来计数，然后送给 PLC，与 PLC 内的预设值进行比较。由比较的结果再作为 PLC 的输入控制信 号。在进行计数前应对高速计数器进行初始化。高速计数器的初始化：对高速 计数器选择工作模式、设置控制字节、执行高速计数器定义指令、设定当前值 和预设值、设置中断和执行高速计数指令等。这样高速计数器可以通过固定的 输入口对脉冲进行计数。 此程序设定高速计数器 HCS0 HCS1 HCS2 三个高速计数器。启动和复位输 入高电平有效，1 倍计数率的正交模式，计数方向为正方向，允许更新计数方 向，允许更新当前值，允许执行高速计数指令清除高速计数器的初始值，置高 速计数器的预设值为 2000，全局开中断，对高速计数器执行高速计数。 3.4 控制面板设计 机械手操作面板控制示意图如图 3-1 所示。 控制面板操作说明： 图 3-1 机械手控制面板示意图 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 20 - 1）使用前，确定手动/自动操作方式，旋转转换面板旋钮，选择合适的操 作方式。操作方式分为：手动操作方式、自动操作方式；其中自动操作方式又 分为单周期和连续两种工作方式。 2）自动操作：在使用之前，确定机械手的工作路线，完成参数设置。按 下启动按钮，机械手自动运行。按下停止按钮，机械手完成当前的周期动作后， 机械手返回原点并停止循环动作。按下复位按钮，如果机械手没有夹取工件， 机械手自动返回原点；如果机械手夹取工件，那么机械手先将工件放于安全区， 然后返回原点。按下急停按钮，机械手停止动作，任何按钮操作无效。在自动 操作方式下，机械手手动操作界面无效。 3）手动操作：按下启动按钮后，对手动操作面板操作有效。停止按钮无 效按下急停按钮，机械手停止动作，任何按钮操作无效。按下复位按钮，按下 复位按钮，如果机械手没有夹取工件，机械手自动返回原点；如果机械手夹取 工件，那么机械手先将工件放于安全区，然后返回原点。 3.5 PLC 选型 3.5.1 PLC 的类型 PLC 发展迅速，类型特别多，根据出发角度不同，有诸多分类。一般常见 的是按照其控制规模和结构进行分类的。PLC 还可以按其他的条件分类，比如 按应用环境分类，按 CPU 的字长分类等等。 1. 按控制规模分类 所谓的控制规模主要是指 PLC 可以进行控制的最大 I/O 点数。一般 PLC 可以控制的 I/O 点数越多，其控制能力越强，所控制的对象也就越复杂，控制 系统就越大。根据控制规模，通常 PLC 可以分为小型、中型、大型三类。 2. 按结构形式分类 按结构形式分类，PLC 可以分为整体式和模块式两类。微型和小型 PLC 一 般都为整体式结构。整体式结构的特点是将 PLC 的基本部件都安装在一个机箱 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 21 - 内，一个主机箱就是一台 PLC。中大型 PLC 多采用模块式结构，这也是大中型 PLC 要处理大量的 I/O 点数的性质所决定的。 3.5.2 I/O 分配 根据搬运机械手控制系统的设计要求，在自动的工作方式下，分析机械手 的运动过程：机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将右移 前移（或后移）检测工件下降夹取工件上升右移 （或左移）前移（或后移）检测工件下降放置工件上升 前移（或后移）左移至原点，完成一个工作周期。机械手的上升、下 降、前移、后退、左移、右移等动作转换，是由相应的位置传感器（光电编码 器）采集位置信号，由 PLC 控制交流伺服电机实现的；而机械手爪的加紧、放 松动作是由光电开关采集信号，由 PLC 来控制机械手爪动作。 为了确保安全，机械手夹取工件之前，必须在工作台上检测工件存在时， 机械手才可以下降夹取工件；如果初始工作台上不存在工件，那么机械手将自 动暂停，等待，并且光电开关及时检测工件直到检测到工件存在为止。因此， 在初始工作台设置了一个光电开关，用来检测“有工件”信号；目的工作台设 置一个光电开关，检测“无工件”信号。 为了满足实际生产的需求，在控制方面，机械手设置了手动和自动两种不 同的工作方式。 自动工作方式又分为单周期和连续两种工作方式。单周期工作方式：当按 下启动按钮之后，机械手按设定好的工作工序自动完成任务，然后机械手返回 原点后停止。连续工作方式：按下启动按钮之后，机械手从原点，按设定好的 工作步骤自动完成任务，然后机械手返回原点，并且反复连续工作。在自动工 作方式下，设置了两种停车状态：正常停车、紧急停车。正常停车：在正常工 作状态自动连续工作状态下，根据需要对机械手进行停车，按下停车按钮之后， 机械手完成最后一个周期动作之后返回原点。紧急停车：在发生事故或紧急状 态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，用手 动按钮或者复位按钮回到原点。 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 22 - 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作都可以进行控制。例如，按 “上升”按钮，机械手上升；按下“下降”按钮，机械手下降；按下“前进”， 机械手前进；按下“后退”，机械手后退。手动操作可用于调整工作位置和紧 急停车后机械手返回原点。 1确定输入/输出点数 1）输入信号 位置检测信号：X 轴限位、Y 轴限位、Z 轴限位共 3 个位置检测，需要 3 个输入端子。 行程开关信号：上、下、左、右、前、后共六个行程开关，需要 6 个输入 端子。 “有无工件检测”信号：初始工作台、目的工作台各用一个用光电开关作 检测元件，需要 2 个端子。 “工作方式”选择开关信号：有手动、单周期和连续 3 种工作方式，需要 3 个输入端子。 手动操作：需要有机械手上升、下降、左移、右移、前移、后移，以及机 械手爪加紧、放松，共 8 个按钮，也需要 8 个输入端子。 还需要启动、正常停车、紧急停车、复位 4 个按钮，也需要 4 个输入端子。 以上共需要 26 个输入点。 2)输出信号 PLC 的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松，共 需要 6 个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要 1 个 输出点。所以，至少需要 9 个输出点。 2输入和输出点分配表 经过分析系统的动作过程，系统共需要 26 个输入点和输入和 9 个输出点。 输入输出点数分配如表 3-6 所示。 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 23 - 表3-6 输入和输出点分配表 名名 称称输入输入名名 称称输入输入名名 称称输出输出 启动I0.0后行I1.5X 电机正转Q0.0 左行程开关I0.1夹紧I1.6X 电机反转Q0.1 右行程开关I0.2放松I1.7Y 电机反转Q0.2 前行程开关I0.3手动I2.0Y 电机正转Q0.3 后行程开关I0.4单周期I2.1Z 电机反转Q0.4 上行程开关I0.5连续I2.2Z 电机正转Q0.5 下行程开关I0.6 X 轴计数器计数值 与目标值相等 I2.3夹紧电磁阀Q0.6 停止I0.7 Y 轴计数器计数值 与目标值相等 I2.4放松电磁阀Q0.7 上升I1.0 Z 轴计数器计数值 与目标值相等 I2.5原点指示灯Q1.0 下降I1.1 工作台工件检测 （取工件） I2.6 左移I1.2 工作台工件检测 （放工件） I2.7 右移I1.3复位I3.1 前行I1.4急停I3.2 3.5.3 综合性考虑 在满足设计的需求的前提下，选择 PLC 应考虑其性价比。在考虑经济性的 同时，也必须考虑其实际应用的可操作性、可扩展性等因素。PLC 输入输出点 数直接影响其价格。 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 24 - 综合考虑，此机械手控制系统，主机 PLC 选择西门子的 S7-200。 SIMATIC S7-200 系列 PLC 是德国西门子（Siemens）公司生产的具有很高 性能价格比的微型可编程控制器。S7-200 体积超小，配置灵活，内置功能强大， 运行速度快，价格低廉及多功能多用途等特点，因此在工业企业中得到了广泛 的应用14。S7-200 种类丰富，其中： CPU221：内置 10 个数字量 I/O 点，不可扩充； CPU222：内置 14 个数字量 I/O 点，可扩充到 78 路数字量 I/O 或 10 路模 拟量 I/O； CPU224：内置 24 个数字量 I/O 点，可扩充到 168 路数字量 I/O 或 35 路模 拟量 I/O； CPU226：内置 40 个数字量 I/O 点，可扩充到 248 路数字量 I/O 或 35 路模 拟量 I/O8； 根据系统要求，最终确定 PLC 为主机为 S7-200 中的 CPU226，电源为 220V 交流电。 3.6 PLC 原理接线图 PLC 原理接线图如图 3-2 所示。 第三章 机械手控制系统的硬件设计 - 25 - 图 3-2 PLC 原理接线图 第四章 PLC 控制系统程序设计 - 26 - 第 4 章 PLC 控制系统程序设计 4.1 控制系统主程序流程图及原理 4.1.1 主程序流程图 主程序结构图如图 4-1 所示： 4.1.2 控制主程序设计 为了方便编程，可将手动和自动程序分别编出相对独立的程序段，用控制 面板旋钮进行工作方式的选择，控制系统程序流程图如图 4-1 所示。选择手动 方式时，执行手动子程序；选择自动工作方式时，执行自动子程序。自动工作 方式包括单周期、连续。 图 4-1 主程序结构图 第四章 PLC 控制系统程序设计 - 27 - PLC 首先进行上电处理，即对 PLC 系统进行一次初始化；然后 PLC 进行扫 描，完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理。当 PLC 处于 RUN 方式时， 完成用户程序的执行和输出处理。控制主程序，当初始化之后，首先判断是否 在原点，如果不在原点则调用复位子程序，如果机械手在原点，则扫描工作方 式，如果工作方式为自动控制，则调用自动子程序；如果为手动控制，调用手 动子程序。控制主程序如图 4-2 所示。 图 4-2 控制主程序 第四章 PLC 控制系统程序设计 - 28 - 4.2 自动控制子程序设计 4.2.1 自动控制子程序流程图 自动控制，即工作方式为单周期或者连续循