0 引言

　　機(jī)械手是隨著工業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化而發(fā)展起來的一種裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)迅速、可靠性高、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)．目前已經(jīng)在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手的應(yīng)用可以大幅度減少人工重復(fù)操作，降低生產(chǎn)過程中的危險(xiǎn)系數(shù)，極大地提高生產(chǎn)效率與工作精度。此外，機(jī)械手還能在無人區(qū)或?qū)θ擞泻Φ沫h(huán)境中正常工作，因此對機(jī)械手進(jìn)行研究對于提高人們的生產(chǎn)生活具有十分重要的意義。

　　可編程控制器(PLC)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。它以微處理器為核心，采用編寫程序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。本文介紹基于德國西門子S7—200PLC開發(fā)的機(jī)械手定位控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹

　　該機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件包括S7—200PLC、東元TSB伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電磁閥、繼電器、電缸、氣缸、限位開關(guān)、工位及工件、機(jī)械手指、往復(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)。系統(tǒng)中采用V4．0 STEP 7MicroWlN SP7對PLC進(jìn)行編程。

　　1.1 系統(tǒng)控制的目的及內(nèi)容

　　系統(tǒng)通過S7—200PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對物品多個(gè)自由度方向(水平、垂直、左右、旋轉(zhuǎn))的抓取或放置，通過PLC編程實(shí)現(xiàn)8個(gè)工位之間復(fù)雜的控制運(yùn)動(dòng)。在該實(shí)驗(yàn)中給出的是其中一種典型的運(yùn)行方式：①把工位A1的工件搬到工位B1處；②把工位B2的工件搬到工位A1處；③把工位B1的工件搬到工位B2處；④當(dāng)一個(gè)運(yùn)行周期完成后會自動(dòng)重復(fù)運(yùn)行．

　　系統(tǒng)控制的內(nèi)容包括：①通過PLC控制器以脈沖的方式控制伺服電機(jī)精確運(yùn)行，②各運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在導(dǎo)軌上的移動(dòng)速度、方向、目標(biāo)位置等的精確控制；③通過上位機(jī)給PLC編程，實(shí)現(xiàn)智能工件的定位傳送功能；④機(jī)械手復(fù)雜控制動(dòng)作的編程實(shí)現(xiàn)。該控制具有多個(gè)考察目標(biāo)，首先是對機(jī)械手橫、縱2個(gè)電缸導(dǎo)軌方向的精確定位和3個(gè)氣缸閥門執(zhí)行步驟的控制，如果工位和機(jī)械手此時(shí)的位置誤差超過允許范圍，則無法完成后續(xù)的動(dòng)作。

　　1.2 系統(tǒng)電路圖

　　系統(tǒng)電路圖如圖1所示。圖1中，Q0.0為橫向高速脈沖信號，Q0.1為縱向高速脈沖信號，Q1.0為橫向方向信號，Q1.1為縱向方向信號。Q0.2為上下氣缸信號，Q0.3為開合氣缸信號，Q0.4為旋轉(zhuǎn)氣缸信號。

　　1.3 系統(tǒng)中各裝置的工作狀態(tài)　　(1)PLC程序模塊通過RS-485協(xié)議下載到CPU中，作為控制器負(fù)責(zé)信號的輸出，對機(jī)械手的每個(gè)動(dòng)作一一發(fā)出指令并進(jìn)行控制。

　　(2)伺服電機(jī)及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)機(jī)械手的精確定位及系統(tǒng)的工作效率。伺服驅(qū)動(dòng)器接收Q0.0、Q0.1、Q1.0、Q1.1以及限位開關(guān)的信號來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度。在伺服驅(qū)動(dòng)器上通過設(shè)定參數(shù)來確定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

　　(3)空氣壓縮機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的氣動(dòng)部分提供動(dòng)力，在系統(tǒng)運(yùn)行前必須保證空氣壓縮機(jī)中的氣壓達(dá)到要求，否則機(jī)械手在運(yùn)行過程中會出錯(cuò)。

　　(4)電磁閥和繼電器共同完成對機(jī)械手的開合、旋轉(zhuǎn)、夾緊動(dòng)作的控制。繼電器把從PLC發(fā)出的低電平信號轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)電磁閥的高電平信號；電磁閥則用來控制空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣流，通過氣缸來控制機(jī)械手的開合、旋轉(zhuǎn)、夾緊。

　　(5)限位開關(guān)用來輔助控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而限制機(jī)械手移動(dòng)的距離。當(dāng)限位開關(guān)被觸動(dòng)時(shí)會發(fā)出信號給伺服驅(qū)動(dòng)器的正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))禁止端口，讓電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。限位開關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中起到保證系統(tǒng)正常運(yùn)作和保護(hù)設(shè)備的作用。

　　(6)伺服電缸是將伺服電機(jī)與絲杠進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)將伺服電機(jī)的精確轉(zhuǎn)速控制、精確轉(zhuǎn)數(shù)控制、精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成精確速度控制、精確位置控制、精確推力控制．實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)中包含橫向和縱向兩個(gè)伺服電缸。另外，該系統(tǒng)中有3個(gè)氣缸分別控制機(jī)械手的開合、旋轉(zhuǎn)、夾緊。

2 機(jī)械手定位控制方法

　　現(xiàn)有的控制方法是先由PLC發(fā)出所需個(gè)數(shù)的PTO脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后由驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)按給定的脈沖個(gè)數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，橫向?yàn)?65個(gè)脈沖對應(yīng)1mm的移動(dòng)距離，縱向?yàn)?5個(gè)脈沖對應(yīng)1mm的移動(dòng)距離。電機(jī)運(yùn)行的速度由發(fā)出的PTO脈沖的頻率決定。由于該程序中機(jī)械手都是以恒定的速度移動(dòng)，以至于在開始和停止的時(shí)候都會產(chǎn)生沖擊，特別是在短距離移動(dòng)時(shí)尤為突出，這樣不僅對器件造成損害，同時(shí)也增大了誤差。

　　伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般具有多種控制模式，如位置模式(外部脈波命令)、位置模式(內(nèi)部脈波命令)、速度模式、轉(zhuǎn)矩模式等。針對該系統(tǒng)而言位置控制模式中的外部脈渡命令更加合適。為提高控制效率。實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場運(yùn)行情況的反饋，筆者采用伺服電機(jī)自帶的編碼器作為檢測裝置，使編碼器輸出的信號通過驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分周比處理反饋到PLC，這樣便能知道現(xiàn)場的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更好的控制。其信號反饋圖見圖2。

　　分周處理表示將馬達(dá)的編碼器旋轉(zhuǎn)一周所出現(xiàn)的脈波信號個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換成Cn005預(yù)設(shè)的脈波信號個(gè)數(shù)，其預(yù)設(shè)值一般為1，適用于任何控制模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　考慮到系統(tǒng)的平穩(wěn)性和易操作性，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)采用直線加減速算法。在加速過程中采用采樣插補(bǔ)法，即把伺服電機(jī)加速所用的時(shí)間離散化，然后在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)增加PTO脈沖的頻率，從而實(shí)現(xiàn)速度的平穩(wěn)增加。勻速段則以系統(tǒng)給定的速度運(yùn)行?？紤]到機(jī)械誤差等因素，在減速段的時(shí)候采用使機(jī)械手漸近日標(biāo)點(diǎn)的方法。而不是傳統(tǒng)的減速運(yùn)行到速度為零。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。其中，Pr為系統(tǒng)給定脈沖個(gè)數(shù)與驅(qū)動(dòng)器反饋脈沖個(gè)數(shù)之差，Pu為機(jī)械手速度從O到Vm所需要的脈沖，Vt為機(jī)械手實(shí)時(shí)運(yùn)行速度，Vn為低頻信號下機(jī)械手的運(yùn)行速度，Vm為高頻信號下機(jī)械手的速行速度，ε為一給定常數(shù)，用于判斷PLC是否向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出停止信號。

　　該控制方法中加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度給定，減速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候是每次輸出脈沖差值的百分比。使反饋脈沖不斷減小，直到一小到一個(gè)可以忽略的值，該值即為ε，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明一般取ε為20～30較為合適。

4 結(jié)論

　　采用PLC中的PTO脈沖信號能很好地實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的變速控制，通過實(shí)驗(yàn)證明該方法能有效減小系統(tǒng)的沖擊，增加系統(tǒng)的精度，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強(qiáng)。該系統(tǒng)在搬運(yùn)工作中能滿足實(shí)際需求。