王文紅，任 娟，金 浩

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇張家港 215600）

0 引言

機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動操作裝置，完成抓取、搬運(yùn)、裝配、焊接、檢測、碼垛、上下料等，應(yīng)用非常廣泛，在自動化工廠隨處可見。機(jī)械手能按程序完成精準(zhǔn)的動作，依靠各自由度精確的位置控制。

步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖控制運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的角度控制，由于可以用數(shù)字信號直接控制，因此很容易與微機(jī)相連接，是位置控制中不可缺少的執(zhí)行裝置[1]。

與步進(jìn)電動機(jī)相連的微機(jī)常用的有單片機(jī)、可編程控制器（PLC）等[2]。單片機(jī)是嵌入式微控制器，結(jié)構(gòu)小巧，成本低，比較靈活，通過程序來實(shí)現(xiàn)各控制功能。但單片機(jī)實(shí)現(xiàn)位置控制，需要二次開發(fā)，還要設(shè)計(jì)接口、驅(qū)動等外圍電路，軟件設(shè)計(jì)也較復(fù)雜，且系統(tǒng)的抗干擾性能不夠好，可靠性并不高。

可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置，功能強(qiáng)大、可靠性高，通用性好，已廣泛用于自動化控制的各個領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)控制的支柱產(chǎn)品。PLC配合步進(jìn)驅(qū)動器，并利用專用的脈沖控制指令，可以對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行有效控制，到達(dá)位置的精確控制。與單片機(jī)控制系統(tǒng)相比，硬件設(shè)計(jì)更簡單、軟件編程更便捷，控制系統(tǒng)抗干擾能力也更好。

本文介紹PLC控制步進(jìn)電動機(jī)，對機(jī)械手精確的位置控制，實(shí)現(xiàn)工件定點(diǎn)搬運(yùn)功能。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手由底盤、橫軸、豎軸和手爪等組成，如圖1所示。手爪是一手爪氣缸，氣控實(shí)現(xiàn)其夾緊和張開動作，手爪氣缸安裝在橫軸上，由橫軸步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動可作水平伸縮運(yùn)動，手爪在直流電動機(jī)驅(qū)動下可在一定范圍（0°～270°）內(nèi)回轉(zhuǎn)；豎軸步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動整個橫軸作上下移動；整個機(jī)械手（橫軸、豎軸和手爪）在底盤直流電動機(jī)驅(qū)動下可在一定范圍內(nèi)（0°～270°）的轉(zhuǎn)動[3]。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

為方便完成工件定點(diǎn)搬運(yùn)，機(jī)械手在水平伸縮、上下升降、整體回轉(zhuǎn)、手爪回轉(zhuǎn)4個自由度上需精確定位。其中，機(jī)械手水平伸縮、上下升降的位置控制采用步進(jìn)驅(qū)動方式。

2 基于PLC的步進(jìn)電動機(jī)位置控制系統(tǒng)

2.1 控制原理

機(jī)械手水平伸縮和上下升降的位置控制采用PLC+步進(jìn)驅(qū)動方式，其位置控制系統(tǒng)主要由PLC、步進(jìn)驅(qū)動器、步進(jìn)電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)等組成。如圖2所示，PLC為核心控制器，并輸出脈沖信號；步進(jìn)驅(qū)動器起放大信號（主要是電流）作用；步進(jìn)電動機(jī)是執(zhí)行電機(jī)；傳動機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動[4]。在機(jī)械手系統(tǒng)中，PLC以一定的頻率和方向發(fā)送脈沖信號，通過步進(jìn)驅(qū)動器，使步進(jìn)電動機(jī)以一定速度和方向，完成精確角位移，通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠副，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的水平（或上下）直線位移，在橫軸（或豎軸）兩端加限位開關(guān)作終端保護(hù)。

圖2 步進(jìn)電動機(jī)位置控制系統(tǒng)

2.2 電氣硬件設(shè)計(jì)

可編程控制器控制步進(jìn)電動機(jī)，PLC必須選擇晶體管輸出型，有高速脈沖輸出功能。選松下FP1-C16T，輸入點(diǎn)8點(diǎn)（X0～X7），輸出點(diǎn)8點(diǎn)（Y0～Y7），脈沖頻率高達(dá)10 kHz，同時可以輸出兩路高速脈沖[5]，分別控制橫軸步進(jìn)電動機(jī)和豎軸步進(jìn)電動機(jī)。其中，Y0接步進(jìn)脈沖信號，Y2接方向信號，Y0和Y2配合完成橫軸控制；同理，Y1接步進(jìn)脈沖信號，Y3接方向信號，Y1和Y3配合完成豎軸控制。

根據(jù)負(fù)載的大小，同時為滿足機(jī)械手系統(tǒng)中橫軸和豎軸的定位精度要求，選二相混合式步進(jìn)電動機(jī)，型號42BYG250C，主要參數(shù)：步距角0.9°/1.8°，相電流1.5 A，額定轉(zhuǎn)矩0.54 N·m，按八拍工作方式，通電方式是A—AB—B—B（-A）—（-A）—（-A）（-B）—（-B）—（-B）A—A的次序輪流通電[6]。

步進(jìn)驅(qū)動器與步進(jìn)電動機(jī)配合決定了步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)行性能，本系統(tǒng)選用森創(chuàng)兩相混合式步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動器，型號SH-20403，主要參數(shù)：工作電源10 V-40 VDC，最大3 A輸出電流，最大64細(xì)分[7]。為提高步進(jìn)電動機(jī)的控制精度，并使步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)達(dá)到良好的運(yùn)行性能，驅(qū)動器需完成細(xì)分設(shè)置和輸出電流設(shè)置。第一，細(xì)分設(shè)置，細(xì)分實(shí)質(zhì)是拆分步距角，利用驅(qū)動器上撥位開關(guān)的SW1、SW2、SW3三位可組合出7種的細(xì)分模式。在滿足被控對象控制精度要求的前提下，同時考慮系統(tǒng)頻率允許，合理選擇細(xì)分?jǐn)?shù)[8]，本系統(tǒng)驅(qū)動器選擇2細(xì)分模式，SW1、SW2、SW3分別為ON、OFF、OFF。第二，電流設(shè)置，利用驅(qū)動器上撥位開關(guān)SW5、SW6、SW7三位可組合出8種的輸出電流，以配合不同的步進(jìn)電動機(jī)使用。驅(qū)動器動態(tài)電流的設(shè)定一般取決于負(fù)載及加速轉(zhuǎn)矩，若太小，電機(jī)將帶不動負(fù)載，出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)；若太大，電機(jī)過熱易燒壞且噪音大。在保證速度和力矩下，為了延長步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的使用壽命，驅(qū)動器輸出電流設(shè)定與步進(jìn)電動機(jī)額定相電流相當(dāng)或略低一些[2]。本機(jī)械手步進(jìn)驅(qū)動電流設(shè)置為1.5 A，SW5、SW6、SW7分別為ON、OFF、ON。

以PLC控制機(jī)械手橫軸為例，PLC與步進(jìn)電動機(jī)的接線圖如圖3所示[9]，PLC輸出端COM接DC24V負(fù)極，驅(qū)動器OPTO公共端接DC24 V正極，PLC輸出端Y0串分壓電阻R（2 kΩ）接驅(qū)動器CP步進(jìn)脈沖信號，PLC輸出端Y2串分壓電阻R（2 kΩ）接驅(qū)動器DIR方向電平信號，F(xiàn)REE脫機(jī)信號懸空不接；步進(jìn)電動機(jī)上4根接線（A+、A-、B+、B-）直接和驅(qū)動器（A+、A-、B+、B-）相連；驅(qū)動器電源輸入DC24 V。

圖3 PLC控制步進(jìn)電動機(jī)電氣接線圖

2.3 PLC軟件設(shè)計(jì)

在機(jī)械手系統(tǒng)，機(jī)械手水平伸縮和上下升降的位置精確控制由PLC控制步進(jìn)電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)，PLC程序中脈沖數(shù)，決定步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)角；PLC程序中脈沖頻率，決定步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速；PLC程序中方向信號決定步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向。

2.3.1 步進(jìn)電動機(jī)位置控制

機(jī)械手系統(tǒng)中，PLC控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，由滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)機(jī)械手橫向（或縱向）直線移動，其移動距離L（mm）與PLC發(fā)出脈沖數(shù)N之間的關(guān)系為：

式中：P為滾珠絲杠螺距，P=4 mm；θ為步進(jìn)電動機(jī)步距角，θ=0.9°；m為步進(jìn)驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)，m=2。

應(yīng)用中，根據(jù)機(jī)械手橫軸（或豎軸）實(shí)際所要移動距離，按公式可以方便地計(jì)算出PLC編程中重要參數(shù)——脈沖數(shù)。

2.3.2 步進(jìn)電動機(jī)速度控制

機(jī)械手系統(tǒng)中，PLC控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，由滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)機(jī)械手橫向（或縱向）直線移動，其移動速度（mm/s）與PLC發(fā)出脈沖頻率f之間的關(guān)系為：

式中：P為滾珠絲杠螺距，P=4 mm；Zr為步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)，Zr=50；K為步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行拍數(shù)，K=8。

應(yīng)用中，根據(jù)機(jī)械手橫軸（或豎軸）實(shí)際所需移動速度，按公式可以方便地計(jì)算出PLC編程中重要參數(shù)——脈沖頻率（運(yùn)行頻率）。

步進(jìn)電動機(jī)從靜止開始起動，需克服慣性轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)能響應(yīng)且不失步，起動頻率一般較低，然后逐漸加速到所需的運(yùn)行頻率。當(dāng)電動機(jī)從運(yùn)行頻率到停止時，為防止位置過沖現(xiàn)象，先減速再停止。因此，步進(jìn)電動機(jī)的速度按“起動-升頻-穩(wěn)頻-降頻-停止”的過程，呈梯形速度特性。

2.3.3 步進(jìn)電動機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)

為配合步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動控制，實(shí)現(xiàn)位置和速度控制要求，松下FP1 PLC有專用的高速脈沖輸出指令，脈沖輸出指令需設(shè)定控制代碼（輸出方式）、初始速度（起動頻率、開始頻率）、最大速度（運(yùn)行頻率）、加（減）時間、目標(biāo)值5個參數(shù)。以機(jī)械手橫軸步進(jìn)電動機(jī)定位控制為例，為了能快速平穩(wěn)地起停、運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)確定如下：起動頻率為500 Hz，運(yùn)行頻率為2 000 Hz，頻率上升、下降時間為500 ms，脈沖數(shù)為8 000個，PLC程序如圖4a）所示[10]，當(dāng)輸入條件滿足時，功能指令F0（MV）或F1（DMV）完成控制參數(shù)的賦值，F(xiàn)168（SPD1）位置控制指令從Y0輸出脈沖8 000個，完成橫軸步進(jìn)電動機(jī)位移40 mm，運(yùn)行速度20 mm/s，圖4（b）為其運(yùn)行速度f/t圖。

圖4 速度與位置控制梯形圖及運(yùn)行速度f/t圖

3 結(jié)束語

步進(jìn)電動機(jī)具有較好的位置精度和運(yùn)動重復(fù)性、微機(jī)控制方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用PLC控制步進(jìn)電動，配合步進(jìn)驅(qū)動器，通過合理設(shè)置細(xì)分和輸出電流，有效保證控制精度和運(yùn)行效果；PLC程序中應(yīng)用專用的位置控制指令，通過修改參數(shù)，有效進(jìn)行速度控制，達(dá)到精確位置控制要求。

在本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手中，用一臺PLC控制兩臺步進(jìn)電動機(jī)，通過滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)機(jī)械手橫向和縱向直線運(yùn)動，完成機(jī)械手伸縮半徑和升降高度的精確定位，橫向、縱向往復(fù)移動距離280 mm，位置精度±0.02 mm，實(shí)現(xiàn)了在開環(huán)控制方式下達(dá)到較好的定位效果。