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1、基于PLLC的四自由由度电动动机械手手的控制制设计摘要：所所介绍的的电动机械械手由电电控机械械手、yyz轴丝丝杠组、手转动机构、旋转底盘等机械部分组成，在PLC控制下，它可在行程范围内将物体从一点搬运至另一任意点，可置放于各种不同生产线或物流流水线中。关键词：机械手；PLCC；步进电电机中图分类类号：TTP2441 文文献标志志码：AA文章编号号：Desiign of thee Coontrrol Sysstemm off 4-dimmenssionn Mootorr-drriveen MMechhaniicall Maanippulaatorr Baasedd onn PLLCAbsttra
2、cct: Mottor-driivenn mechhaniicall maniipullatoor ddissscusssedd inn thhis papper connsissts of powwer-opeeratted mecchannicaal mmaniipullatoor,yy-axxis andd z-axiis sscreew lleveer mmoduuless ,rrotaatryymecchannismm off maanippulaatorr,rootatted-plaate at thee boottoom eetc.On thee coontrrol of PLC
3、C syysteem,iit ccanttakee boodiees ffromm onne pplacce tto aanottherr inn thhe rrangge oof iits jouurneey. It cann bee pllaceed oon ddifffereent mannufaactuure asssembbly linnes or gooods cirrcullatiion linnes. Key Worrds:mecchannicaal mmaniipullatoor; PLCC; sstepp mootorr随着微电电子技术术、计算机和现代控控制理论论的不断断完
4、善，机械手技术也快速发展。按实现功能和驱动方式划分，机械手可以分为很多种。仅就驱动方式，就有气动（或液动）、电动和电气混合等。为实现不同的功能，有3个自由度的，也有4、5个自由度的，甚至还有6个自由度的。本文中，笔者仅论述基于PLC技术的4个自由度电动机械手的控制设计，它能满足绝大多数场合的搬运需要，并且可用于教学实验，具有良好的示范性和教学性。1 4轴轴联动简简易机械械手的结结构及动动作过程程如图1所所示，搬搬运一个个零件，一一般需要要4个自自由度确确定其位位置：33个坐标标确定其其空间位位置；11个角度度坐标确确定其摆摆放方位位。本文文中确定定空间位位置的33个坐标标分别是是角度AA、Y轴
5、轴坐标YY1和Z轴坐标标Z1；摆摆放方位位（方位位角）由由零件长长度方向向的轴线线与X轴形成成的夹角角B确定。通通常情况况下，44个自由由度的机械手即可满满足大多多数搬运运需求。4个自由由度电动动机械手手的结构如如图2所示。它它由电磁磁铁控制的机械械手1、YZ轴丝杠组2、手转动机构3、旋转底盘4、物料输送带5、PLC 6、控制面板7、步进电机驱动器8和24V电源9等组成。图1 确确定物体体位置的的一般坐坐标985764132图2 电电动机械械手结构构其运动控控制方式式为：11)由步步进电机机驱动可可旋转角角度为990的的电控机械械手，由由微动开开关确定定其起始00点；22)由步步进电机机驱动丝
6、丝杠组件件，使机械械手沿YY和Z轴移动动，有Y、ZZ轴接近开关关作安全全限位；3)可可回旋2270的旋转机构构能带动动机械手手及丝杠杠组自由由旋转，其电气气拖动部部分由步步进电机机、微动动开关等等组成；4)旋旋转底盘盘主要支支撑以上上3部分分；5)电控机械械手的张张合由电电磁铁控控制，通电时机机械手抓抓紧，断断电时机机械手松松开。其工工作流程程如下：1）当被搬运运物体到达预定定位置时时，通过过光电开开关发出出信号，机械手系统开始动作；3台步进电机分别控制旋转运动、横向运动和上下运动，手转动机构驱动机械手旋转一个方位角，然后电磁铁通电，机械手夹住物体。2）步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动
7、横轴开始向前走动；转盘步进电机转动使机械手整体运动，转到物体接收处。3）步进电机再次驱动纵轴下降（或上升），到达指定位置后，电磁铁断电，机械手松开物体。4）系统回位，准备下一次动作。2 控制制器件选选型为使控制制较为精精确，对对各种关关键器件件的类型应有所所选择。2 1 步进进电机及及其驱动动器控制面板负载步进电机机是将电电脉冲信信号转变变为角位位移或线线位移的的开环控控制元件件。在非超超载情况况下，电电机的转转速及停止位位置只取取决于脉脉冲信号号的频率率和脉冲冲数，而而不受负负载变化化的影响响。即给电电机加一一个脉冲冲信号，电电机就转过一一个步距距角。虽虽然步进进电机已已被广泛泛应用，但但步
8、进电电机并不不能像普通的的直流电电机和交流电电机一样样在常规规下使用用，它必须须由双环环形脉冲冲信号、功功率驱动动电路等等组成控控制系统统方可使使用11（见见图4）。选择电机一般应遵循图3所示的步骤2。步距角PLC 静转矩修正驱动器电流步进电机矩频特性曲线负载电机型号 图3 步进电电机选择择步骤 图4 控制系系统结构构框图本文中的的机械手手主要用用于教学学，故所需精精度不很很高，力力矩也不不要太大大。纵轴轴(Z轴)、横轴(Y轴)和手手转动电电机选用用的是广广州瑞宝宝公司的的17HHD00005-118型两两相混合合式步进进电机，步步距角为为1.88，电电流DCC 0.28A/相，最最大静力力矩
9、160010-33Nm。 旋转底底座选用用23HHD00020-25型型步进电电机，步步距角为为1.88，电电流DCC 0.6A/相，最最大静力力矩330010-33Nm。所选选用的步步进电机机驱动器器是RBB23004MEE型细分驱驱动器，驱动电电压为DCC12400V，采用用双极恒恒流斩波波方式，可减少少电机噪噪音。输出电电流从003A/相连续续可调。设设有122/8档档等角恒恒力矩细细分，最最大2000细分分。输入入信号光光电隔离离，标准准单脉冲冲接口，有有脱机保保持功能能，半密密闭式机机壳可适适应更恶恶劣的工工况环境境，提供供节能的的自动半半电流方方式，减减少电机机发热。2.2 电磁铁
10、铁系统中电电磁铁的的作用是是利用电电磁吸引引力操纵纵机械手手以完成成预期动动作。应应根据负负载的要要求选择择电磁铁铁的种类类和结构构形式，然然后根据据控制系系统的电压选选择电磁磁铁的线圈电电压。电电磁铁的的功率应应不小于于制动或或牵引功功率。本本文中的的机械手手选用DDC 224V直直流电磁磁铁。2.3 PLCC的选型型根据系统统的设计计要求，选选用三菱菱公司生生产的FFX2CC-644MT型型PLCC机。FXX2C-64MMT虽然然小巧,但但其内综综合有各各种性能能，包括括同步脉脉冲控制制、中断断输入、脉脉冲输出出、数据据处理、模拟量设定和时钟功能等，能广泛处理机械控制应用问题。它完整的通信
11、功能保证了与个人计算机、其它FX 系列PLC和FX可编程终端的通信。这些通信能力使4轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。为了节省省成本，不不另外选选用PLLC的专专用运动动控制模模块，而而是直接接利用PPLC的的高速脉脉冲输出出功能（PLSY指令）。由于本系统选用晶体管输出型的PLC，为避免晶体管不能可靠关断导致机械手动作失灵，故用PLC的一个输出点控制继电器，再由它控制电磁铁的得失电。3、软件件编程31 输入和和输出点点分配表表表1 机机械手传传送系统统输入和和输出点点分配表表名 称称代号I/O点点名 称称代号I/O点点名 称称代号I/O点点启动手动操作作连续操作作旋转左位位旋转右
12、位位上限行程程下限行程程左限行程程右限行程程转动左位位转动右位位输入位置置电源指示示启动指示示连续操作作指示手动操作作指示抓手转动动指示SB1SB3SB4SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7SQ8SB166HD2HD3HD4HD5HD100X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X30Y16Y17Y20Y21Y26停止回原点工件检测测单步左旋旋单步右旋旋单步上升升单步下降降单步左移移单步右移移单步左转转单步右转转电磁铁抓抓工件检测测指示旋转电机机指示升降电机机指示水平电机机指示电磁铁抓抓指示传送带电电机SB2SB5B1SB6SB7SB8SB9SB100SB111SB122SB1
13、33SB144HD6HD7HD8HD9HD111M5X13X14X15X16X17X20X21X22X23X24X25X26Y22Y23Y24Y25Y27Y37Z轴步进进电机脉脉冲Z轴步进进电机方方向Y轴步进进电机脉脉冲Y轴步进进电机方方向旋转步进进电机脉脉冲旋转步进进电机方方向转动步进进电机脉脉冲转动步进进电机方方向回原点指指示灯电磁铁M1 PPM1 DDM2 PPM2 DDM3 PPM3 DDM4 PPM4 DDHD1YV1Y0Y2Y1Y3Y4Y6Y5Y7Y10Y11有了输入入输出点点分配表表，PLLC接线线原理图图就很容容易画出出，如图图5所示示。图5 PLCC接线原原理图32 操作系系
14、统 操操作系统统包括回回原点程程序、手手动单步步操作程程序和自自动连续续操作程程序，如如图6所示。图6 机机械手操操作系统统程序其原理是是：将把把回原点点按钮按按下，XX14接通，系系统自动动回原点点，Y10驱动动指示灯灯亮。再再将旋钮钮置于手手动，则则X1接通通，其常常闭触头头打开，程程序不跳跳转（CCJ为一一跳转指指令，如如果CJJ驱动，则则跳到指指针P所指P00处），执执行手动动程序。之之后，由由于X22处于常常闭位，当当执行CCJ指令令时，跳跳转到PP1所指指的结束束位置。如如果旋钮钮置于自自动位置置（即XX1常闭闭闭合、X2常闭打开），则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。33
15、 自动连连续操作作流程图图如前所述述，机械械手操作作系统程程序有33个基本本程序段段。因篇篇幅所限限，这里里仅给出出自动连连续操作作流程图图。操作作流程图图是PLLC程序序设计的的基础、关关键和首首要任务务，只有有设计出出流程图图，才能能顺利而而便捷地地编写出出梯形图图并写出出语句表表，最终终完成程程序的设设计。依依据4轴联动动简易机机械手的的控制要要求，绘绘制流程程图如图图7所示。开始输入位置参数机械手回位工件在否机械手放开机械手开始动作转动、移动到要求位置旋转、Y、Z轴向移动机械手抓取手到位图7 自自动连续续操作流流程图程序开始始时，输输入2个个位置的的参数：工件起起始点的的A1角、Y11
16、、Z11坐标和和摆放方方位角BB1，工工件要求求放置点点的A22角、Y22、Z22坐标和和摆放方方位角BB2。由由PLCC进行计计算，给给出移动动到位置置1和22所需的的4个步步进电机机的脉冲冲数（在在脉冲频频率一定定时对应应相应的的时间）。利利用PLLC的有有关辅助助继电器器或PLLSY指指令产生生固定频频率的脉脉冲，由由若干定定时器的的定时长长短控制制脉冲数数。方向向信号可可根据程程序流程程的次序序而产生生。在手手动操作作时，脉脉冲数由由按下操操作按钮钮的时间间而决定定。4、结束束语4轴联动动简易机机械手的的各个动动作和状状态都由由PLCC控制，它它不仅能能满足机机械手手手动和自动等等操作
17、方方式所需需的大量量按扭、开开关、位位置检测测点的要要求，还还可通过过接口元元器件与与计算机机组成PPLC工工业局域域网，实实现网络络通信与与网络控控制。由由于使用用的是步步进电机机驱动机机械手，其其速度和和位置控控制变得得容易和和准确。在在教学而而言，借借助机械械手，可可以训练练学生学学会多种种编程方方法（如如既可以以凭经验验用梯形形图编程程，也可可用步进进顺控指指令实现现同样的的目的），掌掌握多个个功能指指令的运运用，实实现复杂杂的功能能。参考文献献：1江江华生 李鸣 高素萍萍等 .基于于PLCC的步进进电机控控制技术术J.自动化化技术与与应用,20006.第第25卷卷第100期，5552 王晓明明电动动机的单单片机控控制 M 北京京: 北京京航空航航天出版版社，22002210