李錄鋒

LI Lu-feng

（徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)械手技術(shù)涉機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。可編程序控制器PLC控制的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)和繼電器接觸器控制系統(tǒng)相比具有動(dòng)作簡(jiǎn)便、線路設(shè)計(jì)合理、具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運(yùn)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(shè)計(jì)

機(jī)械手模型的PLC控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)有：滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成。該系統(tǒng)是PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合成一體的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)[2]。

1.1 步進(jìn)電機(jī)

該系統(tǒng)需要進(jìn)行微量控制，可以實(shí)現(xiàn)微量控制的有：步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)，但是對(duì)于后兩個(gè)，需要有精密的傳感器且必須構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)才可以實(shí)現(xiàn)微量控制，線路復(fù)雜，成本較大。而步進(jìn)電機(jī)具有良好的低速運(yùn)行和較寬的運(yùn)行功能，而且具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其他任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，所以系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)械手的動(dòng)作，與直流電機(jī)相比有更好的制動(dòng)效果，該電機(jī)和滾珠絲桿、滑桿配合，可以使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。

1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用由AT89C2051組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7輸出，反相后進(jìn)入放大環(huán)節(jié)，放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管將脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動(dòng)作。

驅(qū)動(dòng)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(shè)定

表3 細(xì)分設(shè)定

表4 接線信號(hào)描述

圖1 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)，通過調(diào)整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械手的伸縮、升降均采用行程開關(guān)來限位，并通過改變行程開關(guān)的位置來調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運(yùn)動(dòng)范圍[4]。

1）接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)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(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，輸出端對(duì)地接通。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號(hào)輸入有效，工作原理如圖2所示。

2）行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時(shí)，常開點(diǎn)閉合。

圖2 傳感器工作原理圖

2 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

2.1 I/O點(diǎn)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(jī)，該機(jī)輸入點(diǎn)為14個(gè)，輸出點(diǎn)為10個(gè)[5]?？赏瑫r(shí)輸出兩路脈沖到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。由于機(jī)械手系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計(jì)算機(jī)對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控和管理，該機(jī)械手的控制為純開關(guān)量控制，且I/O點(diǎn)數(shù)不多，僅需11個(gè)輸入點(diǎn)和9個(gè)輸出點(diǎn)，考慮留有一定的裕量。

2.2 PLC的輸入/輸出點(diǎn)分配

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

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).

機(jī)械手系統(tǒng)的程序總體結(jié)構(gòu)如圖3，分為公用程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序等四部分。其中自動(dòng)程序包括單步、連續(xù)運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)應(yīng)用指令，指針標(biāo)號(hào)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(biāo)號(hào)之間的程序，從指針標(biāo)號(hào)處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時(shí)間。如果選擇“手動(dòng)”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(dòng)程序到P0處，由于X0動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開所以直接執(zhí)行“手動(dòng)程序”。由于P1處的X1的動(dòng)斷觸點(diǎn)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(dòng)程序。

圖3 程序流程圖

3 抗干擾設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，從設(shè)計(jì)階段開始便采取了三個(gè)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(hào)在接入計(jì)算機(jī)前，在信號(hào)線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號(hào)兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高、工作可靠、穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)采用單片機(jī)的直接控制結(jié)構(gòu)，各模塊分工明確、整個(gè)系統(tǒng)安排合理、簡(jiǎn)潔、功能明確、方便維修和故障處理；程序調(diào)試方便；軟、硬件抗干擾措施并重，該設(shè)計(jì)為機(jī)械手長(zhǎng)期穩(wěn)定工作提供了技術(shù)上的基本保障.為工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)的人們工作安全提供了保障，同時(shí)也提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。

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