梁新平

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，陜西 西安 710014）

基于PLC的自動(dòng)線(xiàn)機(jī)械手位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁新平

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，陜西 西安 710014）

自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)械手在各生產(chǎn)模塊之間傳輸工件，需要實(shí)現(xiàn)位置控制。自動(dòng)線(xiàn)機(jī)械手的執(zhí)行元件為伺服電動(dòng)機(jī)，以西門(mén)子S7-200可編程控制器為控制中心，驅(qū)動(dòng)松下伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確位置控制。硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)量少，軟件編程應(yīng)用位置控制編程向?qū)?，也比較簡(jiǎn)單。

PLC；機(jī)械手；位置控制；設(shè)計(jì)

自動(dòng)線(xiàn)是在流水線(xiàn)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的。它不僅要求線(xiàn)體上各種機(jī)械加工裝置能自動(dòng)地完成預(yù)定的各道工序及工藝過(guò)程，使產(chǎn)品成為合格的制品，而且要求在裝卸工件、定位夾緊、工件在工序間的輸送、工件的分揀甚至包裝等都能自動(dòng)地進(jìn)行。使其按照規(guī)定的程序自動(dòng)地進(jìn)行工作。

本設(shè)計(jì)所針對(duì)的是由供料、加工、裝配、分揀和輸送5個(gè)單元組成的自動(dòng)線(xiàn)。輸送單元是自動(dòng)線(xiàn)中最重要的，同時(shí)也是承擔(dān)任務(wù)最繁重的工作單元。該單元主要任務(wù)是使驅(qū)動(dòng)抓取機(jī)械手精確定位到指定單元的物料臺(tái)，并在物料臺(tái)上抓取工件，然后把抓取到的工件輸送到指定地點(diǎn)后放下。抓取機(jī)械手裝置是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)4種自由度運(yùn)動(dòng)的工作單元。該裝置被整體安裝在伺服傳動(dòng)組件的滑動(dòng)溜板上，并在同步帶傳動(dòng)的帶動(dòng)下做直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，定位到其他各工作單元的物料臺(tái)，然后完成抓取和放下工件的功能。要完成抓取和放置工件，機(jī)械手的準(zhǔn)確定位就非常關(guān)鍵。設(shè)計(jì)以西門(mén)子S7-200可編程控制器為控制中心，驅(qū)動(dòng)松下伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確位置控制[1]。

1 機(jī)械手位置控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

機(jī)械手位置控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)械手的位置進(jìn)行控制。模塊化的好處是組態(tài)靈活、通用性強(qiáng)、硬件開(kāi)發(fā)周期短、冗余量少、系統(tǒng)成本低；另外故障容易排除，排除故障的速度快[2]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總框圖Fig. 1 Diagram of the total design of system structure

系統(tǒng)組成以西門(mén)子S7—200可編程控制器為控制核心，由觸摸屏、機(jī)械手位置檢測(cè)模塊、機(jī)械手位置控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等組成。

西門(mén)子S7—200可編程控制器是機(jī)械手位置控制系統(tǒng)的核心部分，輸送單元的PLC（主站）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊從其它4個(gè)單元的PLC(從站)讀取其它4個(gè)單元的工作狀態(tài)，然后根據(jù)其它4個(gè)單元的工作狀態(tài)和各單元之間的距離，向機(jī)械手位置控制模塊發(fā)送運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)和一定數(shù)量的脈沖，機(jī)械手位置控制模塊中的伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手完成一定的直線(xiàn)位移。在系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，PLC控制機(jī)械手位置檢測(cè)模塊完成原點(diǎn)回歸[3]。

2 機(jī)械手位置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體介紹

設(shè)計(jì)分為機(jī)械手位置檢測(cè)模塊、機(jī)械手位置控制模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊三大模塊設(shè)計(jì)。

2.2 機(jī)械手位置檢測(cè)模塊

機(jī)械手位置檢測(cè)模塊主要由一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)的電感式接近傳感器和兩個(gè)極限開(kāi)關(guān)組成。接近開(kāi)關(guān)用來(lái)提供直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)信號(hào)；左、右極限開(kāi)關(guān)用于提供越程故障時(shí)的保護(hù)信號(hào)，當(dāng)機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)中越過(guò)左或右極限位置時(shí)，極限開(kāi)關(guān)會(huì)動(dòng)作，從而向系統(tǒng)發(fā)出越程故障信號(hào)。

2.3 機(jī)械手位置控制模塊

機(jī)械手位置控制模塊主要由松下交流伺服驅(qū)動(dòng)器、松下交流伺服電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器組成。輸送單元可編程控制器（晶體管輸出型）通過(guò)其輸出觸點(diǎn)Q0.0和Q0.1向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出旋轉(zhuǎn)方向和一定量的旋轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)（PTO）,伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)按要求的方向和角度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度并反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)要求的角度。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

輸送單元和其它4個(gè)單元的可編程控制器通過(guò)RS-485通信接口和連接線(xiàn)路組成串行通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)。它們之間采用西門(mén)子S7-200可編程控制器自帶的PPI通信協(xié)議。在RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中，為了區(qū)別每一個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)編號(hào)，稱(chēng)為地址，輸送站PLC的地址為0，為主站，其它4個(gè)PLC為從站[4]。

2.5 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件原理總體框圖如圖2所示?？紤]到自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)機(jī)械手的位置要求不是很高，因此采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件在西門(mén)子S7-200可編程控制器基礎(chǔ)上外接設(shè)備：西門(mén)子觸摸屏、松下交流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電動(dòng)機(jī)、傳感器和西門(mén)子網(wǎng)絡(luò)通信專(zhuān)用線(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖Fig. 2 The hardware system diagram

3 機(jī)械手位置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。主要包括觸摸屏組態(tài)模塊和西門(mén)子S7—200 PLC模塊。觸摸屏組態(tài)模塊主要是完成與操作人員的交互功能，它主要控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、復(fù)位、單機(jī)和聯(lián)機(jī)工作，從PLC的相關(guān)單元讀取信息并在屏幕上顯示[3]；可編程控制器模塊作為控制模塊，它包括系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)通信、位置控制幾部分。兩個(gè)模塊的關(guān)系是：觸摸屏組態(tài)模塊是指揮中心，決定整個(gè)系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)和流程；可編程控制器模塊按采樣的周期定時(shí)從網(wǎng)絡(luò)上讀取各單元的狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)啟動(dòng)不同的位置控制子程序，并接收觸摸屏發(fā)送過(guò)來(lái)的命令對(duì)輸送單元進(jìn)行自動(dòng)控制。

3.2 觸摸屏組態(tài)模塊

在上位計(jì)算機(jī)上用組態(tài)軟件完成組態(tài)設(shè)計(jì)，通過(guò)USB接口下載到觸摸屏。具體的組態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程包括以下步驟：創(chuàng)建工程、定義數(shù)據(jù)對(duì)象、畫(huà)面制作和設(shè)備連接和程序下載調(diào)試[5]。

3.3 可編程控制器模塊

主要包括主程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序和PTO位置控制程序。

3.3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、與觸摸屏握手、調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信程序、調(diào)用PTO位置控制程序[6]。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信程序

網(wǎng)絡(luò)通信的功能：在位置控制系統(tǒng)工作過(guò)程中，輸送單元的PLC作為網(wǎng)絡(luò)通信的主站，不斷的從其它四個(gè)從站的存儲(chǔ)單元讀取其它四個(gè)單元的工作狀態(tài)，為輸送單元的PLC調(diào)用不同的位置控制程序提供依據(jù)[6]。

3.3.3 PTO位置控制程序

PTO位置控制程序包括位置控制程序的調(diào)用和五個(gè)PTO位置控制子程序。位置控制程序的調(diào)用主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的結(jié)果調(diào)用不同的PTO位置控制子程序；PTO位置控制控制子程序根據(jù)相鄰兩個(gè)單元之間距離確定不同的運(yùn)動(dòng)方式和脈沖數(shù)量，PTO位置控制子程序可采西門(mén)子step-7編程軟件提供的位控編程向?qū)址奖愕耐瓿伞?/p>

4 結(jié) 論

應(yīng)用PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)通信，可以比較準(zhǔn)確的完成機(jī)械手的位置控制[7]。而且此位置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)量少，軟件編程應(yīng)用位置控制編程向?qū)?，也比較簡(jiǎn)單。此位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，應(yīng)用方便。

[1]楊秀雙.S7-200PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用分析[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2013(5):12-13.

YANG Xiu-shuang. Application of S7-200PLC in position control of servo motor[J]. Technology Entrepreneurs, 2013(5)12-13.

[2]寇雪琴.單片機(jī)控制電子噴油泵試驗(yàn)臺(tái)的研究[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué),2008．

[3]呂景泉.自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)安裝與調(diào)試[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2009．

[4]劉亞?wèn)|.基于PLC的精確位置控制 [J].機(jī)床與液壓,2002(2):17-18．

LIU Ya-dong.The precise position control based on PLC [J].Machine Tool & Hydraulics,2002(2):17-18.

[5]吳文廷.基于S7-200PLC實(shí)現(xiàn)TVT-99D機(jī)械手模型的位置控制.黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(2):15-16.

WU Wen-ting.Implementation of TVT-99D model of the manipulator position control based on the S7-200PLC[J].Journal of Liming Vocational University,2011(2):15-16.

[6]張文捷．PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場(chǎng),2012(12):35-36.

ZHANG Wen-jie.Application of PLC in position control of servo motor[J].Technology and Market,2012(12):35-36.

[7]王莉莉.基于PLC控制的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013(4):50-52.

WANG Li-li.Design of pneumatic carrying manipulator system based on PLC control[J].Electronic Science and Technology,2013(4):50-52.

Automatic production line manipulator position control system design based on PLC

LIANG Xin-ping
（Department of Mechanical and Electrical Engineering,Xi’an Railway Vocational Technical Institute,Xi’an710014,China）

Automatic production line manipulator transmission workpiece between each production module, to realize accurate position control. Actuator automatic production line manipulator for servo motor, the Siemens S7-200 programmable controller as the control center, Panasonic servo drive, servo drive servo motor, servo motor through the synchronous belt drives the manipulator motion, accurate position control can realize the manipulator. The hardware structure is simple, the quantity is less, the software programming application of position control programming guide, is also relatively simple.

PLC; robotic arm; position control; design

TM921.5

A

1674-6236(2014)07-0086-02

2013-07-28稿件編號(hào)201307203

梁新平(1969—)，男，陜西洛南人，碩士，副教授。研究方向：電氣自動(dòng)控制。