李錄鋒

LI Lu-feng

（徐州建筑職業(yè)技術學院，徐州 221116）

0 引言

工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。機械手技術涉機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化保護人身安全，因而廣泛應用機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門?？删幊绦蚩刂破鱌LC控制的上下料機械手控制系統(tǒng)和繼電器接觸器控制系統(tǒng)相比具有動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性，降低了維修率，提高了工作效率[1]。

1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設計

機械手模型的PLC控制系統(tǒng)的硬件結構有：滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾、步進電機、直流電機、步進電機驅動器、傳感器、開關電源、電磁閥等電子器件組成。該系統(tǒng)是PLC技術、位置控制技術、氣動技術有機結合成一體的機械手模型控制系統(tǒng)[2]。

1.1 步進電機

該系統(tǒng)需要進行微量控制，可以實現(xiàn)微量控制的有：步進電機，直流伺服電機、交流伺服電機，但是對于后兩個，需要有精密的傳感器且必須構成閉環(huán)控制系統(tǒng)才可以實現(xiàn)微量控制，線路復雜，成本較大。而步進電機具有良好的低速運行和較寬的運行功能，而且具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉及其他任何運行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內完成，且可獲得較高的控制精度，所以系統(tǒng)選用步進電機構成驅動系統(tǒng)，電機采用二相八拍混合式步進電機來控制機械手的動作，與直流電機相比有更好的制動效果，該電機和滾珠絲桿、滑桿配合，可以使機械手的運動更加穩(wěn)定。

1.2 步進電機驅動器

步進電機驅動器有電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分等，利用驅動器可以很方便的對步進電機的轉速、方向進行控制。系統(tǒng)采用由AT89C2051組成的步進電機驅動器來驅動步進電機，AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7輸出，反相后進入放大環(huán)節(jié)，放大后控制光電開關，光電隔離后，由功率管將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和停止等動作。

驅動器參數(shù)如下表1、表2、表3、表4所示。

表1 電氣規(guī)格

表2 電流設定

表3 細分設定

表4 接線信號描述

圖1 PLC控制器與步進電機驅動器連接及工作原理

1.3 傳感器

該系統(tǒng)的基座和氣夾的正反轉限位采用接近開關，通過調整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定范圍內改變基座和氣夾的旋轉角度。機械手的伸縮、升降均采用行程開關來限位，并通過改變行程開關的位置來調節(jié)橫軸和豎軸的運動范圍[4]。

1）接近開關：接近開關有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當傳感器動作時，輸出端對地接通。PLC內部光耦與傳感器電源構成回路，PLC信號輸入有效，工作原理如圖2所示。

2）行程開關：當檔塊碰到開關時，常開點閉合。

圖2 傳感器工作原理圖

2 PLC控制系統(tǒng)的程序設計

2.1 I/O點數(shù)的確定及PLC類型的選擇

系統(tǒng)選用日本三菱公司生產(chǎn)的多功能小型FX1N-24MT-D主機，該機輸入點為14個，輸出點為10個[5]?？赏瑫r輸出兩路脈沖到步進電機驅動器，控制步進電機運行。由于機械手系統(tǒng)的輸入/輸出點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對PLC進行監(jiān)控和管理，該機械手的控制為純開關量控制，且I/O點數(shù)不多，僅需11個輸入點和9個輸出點，考慮留有一定的裕量。

2.2 PLC的輸入/輸出點分配

根據(jù)機械手動作的要求及FX1N-24MT-D的特點，輸入、輸出點分配如表4所示。

2.3 控制系統(tǒng)設計.

機械手系統(tǒng)的程序總體結構如圖3，分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序等四部分。其中自動程序包括單步、連續(xù)運動程序，因它們的工作順序相同所以可將它們和編在一起。CJ（FNC00）是條件跳轉應用指令，指針標號PX是其操作數(shù)。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標號之間的程序，從指針標號處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時間。如果選擇“手動”工作方式，即 X0為 ON，X1為OFF則PLC執(zhí)行完公用程序后將跳過自動程序到P0處，由于X0動斷觸點斷開所以直接執(zhí)行“手動程序”。由于P1處的X1的動斷觸點閉合，所以又跳過回原位程序到P2處。如果選擇“回原位”工作方式，同樣只執(zhí)行公用程序和回原位程序，如果選擇“連續(xù)”方式，則只執(zhí)行公用程序和自動程序。

圖3 程序流程圖

3 抗干擾設計

為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內外電磁干擾，從設計階段開始便采取了三個方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。

該控制系統(tǒng)的抗干擾措施有：

1）采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾。

2）硬件濾波及軟件抗干擾措施，信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

4 結束語

該系統(tǒng)的自動化程度高、工作可靠、穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)采用單片機的直接控制結構，各模塊分工明確、整個系統(tǒng)安排合理、簡潔、功能明確、方便維修和故障處理；程序調試方便；軟、硬件抗干擾措施并重，該設計為機械手長期穩(wěn)定工作提供了技術上的基本保障.為工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內的人們工作安全提供了保障，同時也提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。

[1] 吳明亮,蔡夕忠.可編程控制實訓教材[M].北京：化學工業(yè)出版社, 2005.

[2] 張桂香.機電類專業(yè)畢業(yè)設計指南[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2005.

[3] 瞿大中.可編程控制與實驗[P].華中科技大學出版社,2002.

[4] 殷建國.工廠電氣控制技術[M].北京：經(jīng)濟管理出版社,2006.

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[6] 王承義.機械手及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社, 1981：12-25.

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