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基于PLC的三维机械手控制系统设计 应用OMRON CP1HPLC实现的机械手搬运器件系统 1 一 设计方案 本系统设计方案是通过PLC控制步进电机驱动器 控制步进电机运行 及直流电机来进行机械手的三维移动和夹取物件 选用日本OMRON公司CP1H型PLC以手动输入信号 由控制盒提供 和PLC输出控制信号 PLC内部输出继电器提供 来操纵步进电机驱动器 辅助继电器和直流电机进行工作 步进电机驱动器能以某一速度 可由程序设定 控制步进电机在适当的距离 硬件的限制 内进行正反向旋转移动 再加上直流电机的正反向旋转从而可以实现机械手的三维移动功能 直流电机具有控制机械手底盘旋转和夹手夹取物件 由气泵控制 两大功能 直流电机的正反向旋转也由PLC的输出信号控制而得以实现 电源开关盒的作用是将220V交流电转化为24V直流电压 再通过接线端子盒来提供系统工作需要 辅助继电器是由于OMRON CP1H型PLC的输出点不够而加以辅助设计的 2 二 器件简介 OMRON CP1HPLCOMRON CP1H型PLC是由日本欧姆龙公司生产的一种小型PLC 系统中采用整体式PLC中的CP1HXA40DT D型CPU单元 其结构图如图2 1所示 图2 1XA型CPU单元的基本结构 3 各部分名称和功能介绍如下 1 电池盖 打开盖可将电池放入 用作RAM的后备电源 将保持继电器 数据内存 计数器 标志 当前值 进行电池备份 2 工作指示LED 指示CP1H的工作状态 3 外围设备USB端口 与电脑连接 由CX Programmer进行编程及监视 4 7段LED显示 在2位的7段LED上显示CP1HCPU单元的异常信息及模拟电位器操作时的当前值等CPU单元的状态 此外 可用梯形图程序显示任何代码 5 模拟电位器 通过旋转电位器 可使A642CH的值在0 255范围内任意变更 6 外部模拟设定输入连接器 通过外部施加0 10V电压 也可将A643CH的值在0 255范围内任意变更 7 拨动开关 8 内置模拟输入 输出端子台 模拟输入4点 模拟输出2点 9 内置模拟输入切换开关 将各模拟输入在电压输入下使用还是电流输入下使用间切换 10 存储器盒槽位 安装CP1W ME05M 512千字 可将CP1HCPU单元的梯形图程序 参数 数据内存 DM 等传送并保存到存储器盒 11 电源 接地 输入端子台 12 选件板槽位 可分别将选件板安装到槽位1和槽位2上 包括RS 232C选件板CP1W CIF01和RS 422A 485选件板CP1W CIF11 4 13 内置输入端子及其指示灯LED 内置输入24点 14 扩展I O单元连接器 可连接CPM1A系列的扩展I O单元 输入输出40点 输入输出20点 输入8点 输出8点 及扩展单元 模拟输入输出单元 温度传感器单元 CompoBus SI O连接单元 DeviceNetI O连接单元 最大7台 15 16 外部供给电源 输出端子台及输出指示灯LED DC24V 最大300mA的外部电源供给 内置输出16点 17 CJ单元适配器用连接器 CP1HCPU单元的侧面连接要用CJ单元适配器CP1W EXT01 故可以连接CJ系列特殊I O单元或CPU总线单元最多合计两个单元 但是注意CJ系列的基本I O单元不可以连接 5 CPIH的功能故障诊断功能具有为检测用户定义异常的指令 FAL指令和FALS指令 进行将特殊辅助继电器置位 将故障代码置于特殊辅助继电器和使CPU单元的前面LED灯亮 闪烁等功能 高速计数功能在内置输入上连接旋转编码器 可进行高速脉冲 通过PRV指令 可测定输入脉冲的频率 仅1点 可进行高速计数器的当前值的保持 更新的切换 脉冲输入功能从CPU单元内置输出中发出固定占空比脉冲输出信号 并通过脉冲输入的伺服电动机驱动器进行定位 速度控制 快速响应功能通过将CPU单元内置输入作为脉冲接收功能 与周期时间无关 可切实获取到最小输入宽度信号30us的输入 6 串行通信功能CP1HCPU单元支持串行通信功能有串行网关 串行PLC链接 NT链接1 N 上位链接 工具总线等 存储盒功能CP1HCPU单元有专用的存储盒 可以在进行装置的复制 向其他的CPU单元复制数据 为防备故障等导致的CPU单元更换时的数据备份等 无电池运行功能CP1HCPU单元中 通过保存内置闪存 非易失性存储器 中用于备份的数据 可在未安装电池的状态下运行 7段LED显示功能通过2位的7段LED 可以显示PLC的状态 便于把握设备运行中的故障状态 提高维护时的人机界面性能 它能显示单元版本 CPU单元中发生异常的故障代码 CPU单元与存储盒间传送的进度状态 模拟电位器值的变更状态 通过梯形图程序上的专用显示指令 显示用户定义的代码等 7 CP1H的通信使用USB端口从计算机的USB端口 通过市场上销售的USB电缆与CP1H的内置外部USB端口相连接即可实现通信功能 本次设计中就是采用USB端口进行CP1H的通信 进而控制PLC的内部程序输送来操作仪器的 使用串行端口该法最大可安装2个串行通信选件板 RS 232C端口或RS 422A 485端口 可轻松实现同时连接计算机 PT CP1H 各种组件 变频器 温度调节器 智能传感器等 8 步进电机及其驱动器 9 三 控制系统设计 系统控制原理系统中通过运用PLC进行编程和调试来实现对控制对象 机械手 的控制 其控制原理图见图3 1所示 图3 1系统控制原理图 10 由上图可知该系统的控制原理 图中电源开关盒的作用是将日常生活中的220v交流电压转化为支持CP1HPLC和系统工作的24v直流电压 控制盒的作用是通过对盒上相应的按钮和开关的操作来实现机械手搬运器件的手动和自动功能 此外 盒上还有相应的指示灯来显示系统当前的工作状态 行程 接近开关作为PLC的输入控制信号的一部分 其功能不可忽视 机械手系统在运行到相应状态时 通过硬件部位对行程 接近开关的作用而使开关产生相应动作 并将其信号传送至PLC中致使系统沿着设定要求继续执行下去 PLC的作用至关重要 它就像人的大脑一样指使着机械手按指定要求进行运行 它的输入信号由控制盒和行程 接近开关提供 其输出信号用来控制步进电机驱动器 直流电机和相应指示灯的亮 熄 辅助继电器是由于CP1H输出点有限而加以设计 其目的是提供辅助作用的 步进电机驱动器的作用是根据PLC的相应指示对步进电机进行控制 可以实现步进电机转速和方向的改变及实现控制系统的精确定位功能 直流电机的作用是控制底盘和机械手的旋转及其旋转方向的功能 11 系统控制流程系统的顺序功能图见右图3 2所示 当接通电源时 系统进入初始状态 若不在初始位置则可通过手动控制使其回到初始位置 之后若按下启动按钮则系统进入 下降 运行状态 当碰到Y 行程开关后 便转入 夹取器件 状态运行 等到夹手接近开关动作后 此时停止夹取 便执行 上升 运行状态 直到Y 行程开关动作时使其转入执行 底盘旋转 功能 当底盘接近开关动作后 便进入 右移 状态 触及X 行程开关后转入 下降 状态运行 碰及Y 行程开关就执行 放置器件 功能 放置结束时夹手接近开关动作 便再次 上升 Y 行程开关动作则进入 左移 状态 碰到X 行程开关便进入 底盘旋转 功能 之后当底盘接近开关动作便进入循环执行状态 若此时按下停止按钮则系统进入 结束 状态 无论何时按下停止按钮 系统均停止运行 图3 2系统顺序功能图 12 系统控制方案系统采用CX Programmer编程软件编程 CX Programmer是OMRON公司新的编程软件 它可完成用户程序的建立 编辑 检查 调试以及监控控 同时还具有完善的维护等功能 CX P编程软件界面外观如图3 3所示 图3 3CX P编程软件界面 13 CX P编程软件界面中编程界面包括标题栏 菜单条 工具条 状态栏以及5个窗口 可用 视图 菜单中的 窗口 项来选择显示窗口 下面将简单介绍各部分的功能 1 菜单条1 文件菜单可完成如新建 打开 关闭 保存文件 文件的页面设置 打印预览和打印设置等操作 2 编辑菜单提供编辑程序用的各种工具 如选择 剪切 复制 粘贴程序块或数据块的操作 以及查找 替换 插入 删除和微分等功能 3 视图菜单可以设置编程软件的开发环境 如选择梯形图或助记符编程窗口 打开或关闭其他窗口 如工程窗口 查看窗口 输出窗口等 显示全局符号表或本地符号表等 4 插入菜单可实现在梯形图或助记符程序中插入行 列 指令或触点 线圈等功能 5 PLC菜单用于实现与PLC联机时的一些操作 如设置PLC的在线或离线工作方式以及编程 调试 监视和运行4种工作模式 所有程序在线编译 上载或下载程序 查看PLC的信息等 6 程序菜单实现梯形图和助记符程序的编译 7 工具菜单用于设置PLC的型号和网络配置工具 创建快捷键 以及改变梯形图的显示内容 8 窗口菜单用于设置窗口的排放方式 9 帮助 Help 菜单项可以方便地检索各种帮助信息 而且在软件操作过程中 可随时按F1键来显示在线帮助 14 2 工具条工具条是将CX P编程软件中最常用的操作以按钮形式显示 提供更加快捷的鼠标操作 3 工程窗口在工程窗口中 以分层树状结构显示与工程相关的PLC和程序的细节 工程窗口可以实现快速编辑符号 设定PLC 以及切换各个程序段的显示 4 图表工作窗口图表工作窗口用于编辑梯形图程序或语句表程序 并可显示全局变量或本地变量等内容 5 输出窗口输出窗口可显示程序编译的结果以及程序传送结果等信息 6 查看窗口在查看窗口中 可以同时显示多个PLC中某个地址编号的继电器的内容 以及它们的在线工作情况 7 地址引用工具窗口地址引用工具窗口用来显示具有相同地址编号的继电器在PLC程序中的位置和使用情况 8 状态栏在编程时 状态栏将提供一些有用的信息 如即时帮助 PLC在线或者离线状态 PLC工作模式 连接的PLC和CPU类型 PLC连接时的循环时间及错误信息等 15 系统I O分配PLC控制系统的I O分配表见表3 1 表3 1I O分配表 16 系统控制程序系统采用CX Programmer编程软件中梯形图程序来编程控制程序的 控制程序如下所示 17 四 器件清单 系统的相关器件见图4 1所示 图4 1器件清单图图中相关器件均由欧姆龙联合实验室提供 并配有计算机 USB数据线及电源等设备 18 五 系统调试 系统调试方案在此次控制系统中 采用化整为零的方法来实现基于PLC的三维机械手控制系统设计的 具体的调试步骤如下 连接PLC 步进电机及其驱动器 直流电机 接线端子盒 电源开关盒和PC机的通信连接等接线 分别设定各个器件的运行程序 调试其运行能否实现相应功能 最后将各个器件的功能相互结合 设定出操控机械手的总程序以此来调试其运行结果 完善设计程序和机械手相关功能的补充 对系统进行人为故障调试 看其能否克服故障从而具有实际运行操作能力 整个调试过程中总共采取过三次调试方案 具体实施如下所述 19 第一次调试调试方案 在梯形图程序中采用联锁和解锁指令进行编程 通过2套 IL ILC 指令来进行机械手的控制 采用理由 程序控制指令与顺序控制密切相关 而联锁和解锁指令是专为处理分支电路而设计的 由于机械手控制系统要实现手动和自动的切换功能而采用此方案 调试步骤 检查电路和各器件的连接和通信是否接好再接通电源 通过PC机来监控程序的运行情况 密切注意硬件的运行状态 运行结束停止运行 若有故障危险则迅速停止运行和关闭电源 调试结果 手动状态下的功能均得以实现 而自动状态则效果欠佳 现象为当人为给系统设定断点故障后 当系统再次通电启动时 则此时行程开关的作用失灵 由于时间和系统安全及寿命的考虑 故决定改用设计方案 20 第二次调试调试方案 此方案采用联锁和解锁指令与步进指令相结合来编辑控制程序 采用理由 步进指令与程序控制指令均与顺序控制密切相关 由于步进指令当前只能有唯一的活动状态 从而可以克服第一次调试中自动状态下的故障 调试步骤 检查电路和各器件的连接和通信是否接好再接通电源 通过PC机来监控程序的运行情况 密切注意硬件的运行状态 运行结束停止运行 若有故障危险则迅速停止运行和关闭电源 调试结果 手动及自动状态下的功能都能独立得以实现 然而控制程序中却无法将两者结合到一起 鉴于两次方案的教训及经验和考虑到步进指令的优点决定全部采用步进指令进行编程 故采用第三种设计方案 21 第三次调试调试方案 方案种均采用步进指令编辑程序 采用理由 步进指令是一组功能很强的指令 此外在步进区域中可使用同名双线圈 不会出现同名双线圈输出引起的问题 采用步进指令能使系统运行更稳定安全 因而采用该设计方案 调试步骤 检查电路和各器件的连接和通信是否接好再接通电源 通过PC机来监控程序的运行情况 密切注意硬件的运行状态 运行结束停止运行 若有故障危险则迅速停止运行和关闭电源 调试结果 手动及自动状态均可轻松切换并且所有功能都能加以实现 调试结果圆满成功 22 六 系统硬件实施 系统控制设备机械手在竖轴升降和横轴伸缩的旋转运行由控制面板进行控制 机械手的控制面板如图6 1所示 按下复位 TB GBP 按钮则机械手运行到初始位置 前提是须将操作杆扳向自动挡位置 当按下启动按钮后 则机械手按照制定程序周而复始地循环执行下去 当机械手工作在手动状态下 分别按下上下左右 对应图中的Y Y X X 四个按钮则分别实现机械手的上升 下降 右移和左移四个功能只要按下停止按钮则图6 1机械手控制面板机械手无条件停止运行 自动手动和复位指示灯显示机械手当前的运行状态 23 系统硬件接线机械手的硬件组成有箱内 箱外两部分 两者之间通过插头相连接 其连接插头示意图见图6 2所示 图6 2机械手插头 座连接图 24 机械手箱内各器件间的连接如图6 3所示 箱内硬件有 CP1HPLC 开关电源 接线端子 步进电机驱动器和辅助继电器 它们之间的装配连接在下图中已有所指明 图6 3机械手装配接线图 25 七 结论与心得 通过此次设计项目 让人知道 机械手能模仿人手和臂的某些动作功能 用以按固定程序抓取 搬运物件或操作工具的自动操作装置 它可替代人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化 能在有害环境下操作以保护人身安全 因而广泛应用于机械制造 电子和轻工等部门 机械手主要由手部 运动机构和控制系统三大部分组成 手部是用来抓持工件 或工具 的部件 根据被抓持物件的形状 尺寸 重量 材料和作业要求而有多种结构形式 如夹持型 托持型和吸附型等 运动机构是使手部完成各种转动 摆动 移动或复合运动来实现规定的动作 改变被抓持物件的位置和姿势 运动机构的升降 伸缩和旋转等独立运动方式称为机械手的自由度 为了抓取空间中任意位置和方位的物体 需有6个自由度 自由度是机械手