基于施耐德PLC的机械手及控制系统设计.pdf

务l 訇 似 基于施耐德P L C 的机械手及控制系统设计 Des i gn of m ani pul at or and con t r oI s y st em bas ed on schn ei der PL C 董明’ ，郭占磊’ ，邹轩 ，沈建强 DONG Mi n g ，GUO Zh a n ． 1 e i ， ZOU Xu a n ， SHE N J i a n ． q i a n g 1 ． 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 2 0 0 0 9 3 ；2 ． 上海理工大学 中德学院，上海 2 0 0 0 9 3 摘要设计了一个工业机械手，同时基于施耐德P L C M o d l c o n M3 4 0 设计了P L C 控制系统的控制方 案，阐述了控制系统的软、硬件实现方法，并应用与施耐德P L C 配套的U n i t y P r o S 开发软件 完成了上位机软件开发和程序编写，并对整套系统进行了调试，验证了系统设计的正确性。 关键词 P L C；机械手；控制系统 中图分类号T P 2 4 1 ． 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 7 上 -O l 2 4 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． E ． 3 7 0 引言 在工业流水线 中，机械手 的应用极为广泛 ， 除 了能完成基本的抓 取动作外 ，还 可以执行较为 复 杂的搬 运 、焊 接 、装配 等动 作 。尤其 在 一些 恶劣的现场环境下 ，机械手能代替人 完成部分或 全部工作 ，既保证 了人的安全 ，又提高 了工作效 率。随着可编程逻辑控制器 P L C的快速发展成 熟和在工业 自动控制领域 的广泛应 用，解决 了以 继电器为基础的控制 系统落 后、接 线复杂、可靠 性差、抗干扰能力弱等缺点，以P L C为基础的工业 机械手具有定位精度高、结构灵活 、性能稳定和 抗干扰能力强等优点，已广泛 应用 于机械制造 、 冶金 、电子加工和原子能等行业。 1 机械手的结构及动作 1 ． 1机械手的结构 该机 械手应用于工业 自动 流水 线 中，完成对 传送带上 产品的分拣工作 ，即将不合格的产品拣 出，让合格的产 品通过。机械手结构如 图1 所示。 该机械手 中包含两个旋转轴和一个直线轴 。位 于 底座上的旋转轴驱动主臂做顺时针和逆时针的回 转 ，位于主臂 内部的直线轴是具有螺纹的丝杠 ， 通过旋转 实现调节块 的升降动作 ，位于调节块前 端 下面的旋转轴驱动抓手张开和 闭合 ，实现对不 合格 产品的夹取和释放 。通过对这三个轴进行控 制，驱动机械手做 出相应的动作 。 1 ．2机械手的动作流程 机械 手 一个 循环 周 期分 为 1 0 步 ，分 别 是启 动 、右 回转 、张 开 、下降 、夹 紧 、上升 、左 回 转 、释放 、闭合 、停止 。具体流程 是，当传感器 检 测出不合格产 品时 ，传送带停 止，机械手开始 运行 启动 ；主臂由初始位置顺时针 回转9 0 。 右 回转 ，此时抓手正好处于不合格产 品的正 上方 ；抓手张开 张开 ；调节块下降 至下限位 传 感器 下 降 ，此时抓 手 与产 品处于 同一 高 度 ；抓手 闭合将产品夹住 夹紧；调节块上升 至上限位传感器 上 升 ，当不合格产 品离开传 感器区域后 ，传送带 恢复运行 ；主臂逆时针 回转 9 0 。 左 回转；抓手张开将不和产品置于分流流 水线上 释放 ；抓 手闭合 闭合 机械手一 个循环周期结束 停止 ，回到初始位。 茫 盛 『 ， i ⋯ 电机 1 ． 底板 ；2 ． 底座；3 ． 联 轴器；4 ． 轴承座 ；5 ． 轴套一 6 ． 底座上板 7 ． 旋转底板；8 ． 旋转主臂；9 ． 轴承固定座；l O ． 固定板1 1 ． 轴承端盖； 1 2 ． 电机支承座l 3 ． 电机支承盖；l 4 ． 丝杠；l 5 ． 铜螺母1 6 ． 上下调节块 1 7 ． 轴承固定块一；l 8 ． 轴承固定块二；1 9 ． 抓手轴一；2 0 ． 抓手轴二； 2 1 ． 轴套二 ；2 2 ． 齿轮 ；2 3 ． 抓 手；2 4 ． 夹爪垫；2 5． 螺母 图l 机 械手结构 图 收稿日期2 0 1 3 - 0 3 - 0 8 作者简介董明 1 9 8 8一 ，男，辽宁人，硕士研究生，研究方向为电力电子传动与控制技术。 [ 1 2 4 ] 第3 5 卷第7 期2 0 1 3 0 7 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 似 2 系统控制方案 控制系统 由P L C 、上位机、C ANo p e n 总线、远 程I ／ O模块S T B 和O T B以及传感器构成。P L C 选用施 耐德公司的Mo d i c o n M3 4 0 系列 ，该系列采用模块 化设计 ，支持 “ 热插拔 ”，有多重数字量I ／ O模块可 供选择 ，且集成 了多重通信接 口和总线，便于和同 类C P U、通信模块或其他设备连接、通信。上位机 采用与施耐德产品配套的Un i t y P r o S 开发软件 ，完 成上位机软件 的开发和P L C程序的编写 。上位机通 过US B 接 口与P L C的C P U进行通信，实现程序的下 载、运行和实时监控 。P L C 通过C ANo p e n 总线和远 程I ／ O模块进行通信，实现主站和从站的连接 。S T B 和O T B 都是施耐德公司的远程分布式I ／ O产品，S T B NC O 2 2 1 2 是高度模块化 的I ／ O工作平台接线解决方 案和电源管理系统 ，包括电源管理模块 、离散量I ／ O模块和模拟量I ／ O模块。模拟量模块可以直接输 入 、输 出电压、电流信号 。OT B 1 C 0 D M9 L P 可以 组成离散量或模拟量I ／ O 岛，其中包括两个高速脉 冲输 出通道。图2 为控制系统示意图。 图2 控制 系统不 意图 对传送带 上产品的识别采用一高一低两个光 电传感器来检 测产品的高 度，当产 品通过传感器 时 ，高 的产 品能 同时遮住上下两个传感器 ，判定 为合格 ，低 的产 品只能遮住下面 的传感器 ，判定 为不合格 。光 电传感器通过S T B 模块和C ANo p e n 总线将检测信号送到P L C，由控制程序完成对产品 高度 的判 断。若合格 ，则传送带继续运行让产 品 通过 ；若不合格 ，则传送带停止 ，机械手程序启 动 ，将不合格产 品拣 出。不合格产 品移 出传感器 区域后，传送带恢复运行。 机械手对旋转 定位精 度要 求较高 ，普通电机 无法满足要求 。步进 电机是一种将脉冲信号变换 成相应的角位移 或线位移 的电磁装置 ，只包含运 转和定位两种基本状态 ，角位移量和输入脉冲个 数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步。没有 脉冲输入时 ，转子保 持原有位置处 于定位状态 ， 所以步进电机具 有调 速范围广 、灵敏度高 、输 出 转角可控和、输 出精 度高 、能实现 同步控制等特 点 。按照机械手的动 作要求，选 用三 台步进 电机 来驱动机械手的三个轴 。 3 系统的主电路 主电路即系统 的执行电路 。由机械手结构图 可以看出，三台步进 电机分别置于机械手底盘内 部、主臂 顶部和调节滑块外端抓手的后部 ，由相 应 的驱动器 驱动工作 。主电路 电气原理 图如 图3 所 示 。P L C通过CANo p e n 总线上 的远程I ／ O模块 S T B N C O2 2 1 2 和O T B 1 C O D M9 L P 控制步进电 机驱动器 S H2 0 3 4 D、S H2 0 4 8 M、S H2 0 4 6 D， 进而完成对机械手的运动控制。 图3 主电路电气原理图 4 控制系统软件设计 4 ． 1输入输出变量地址定义 根据前面对机械手和传感器功能的描述 ，选 取5 个数字输入变量和9 个数字输 出变量 ，其地址 定义见表1 。 表1 输入输出变量地址定义表 名称 地址 注释 c l o s e _ u p ％MW1 6 7 ．5 接近传感器上限位 接近时为0 c l o s e d o w n ％MW1 6 7 ．4 接近传感器下限位 接近时为0 输人 c l o s e o r i ％MW1 6 7 ．3 接近传感器原点 接近时为1 变量 l i g h t_d o w n ％MW1 6 7 ． 1 光电传感器下 阻断时为1 l i g h t _u p ％MW1 6 7 ．0 光电传感器上 阻断时为1 u p _ d o w n fi e ％MW5 7 8 ．6 机械手上下行电机释放 0 锁定1 释放 u p _ d o wn _d i r ％MW5 7 8 ．5 机械手上下行方向 0 向上1 向下 h a n d _ p l u s ％MW5 7 8 ．4 抓手输出脉冲 h a n d f r e ％MW5 7 8 ．3 抓手释放 O 锁定1 释放 输出 h and _ d i r ％～ 【 、 7 8 ． 2 抓手方向 O 闭合1 张开 变量 u p _d o wn_p l u s ％MW5 7 8 ．0 机械手上下行脉冲 t u r n _p l u s ％M[W4 6 1 ．2 回转脉冲 t u rn d i r ％M 6 1 _ 1 回转方向 O 顺时针1 逆时针 t u r n f r e ％MW4 6 1 ． 0 回转电机释放 0 锁定1 释放 第3 5 卷第7 期2 0 1 3 - 0 7 上 I 1 2 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 訇 似 4 ． 2 P L C 程序设计 根据 系统设计要求 ，对顺序控制流程要求很 高，因此采取L D 梯形图、S T 结构化文本与S F C 顺 序功能图相结合的方法实现 。首先在Un i t y P r o S 中，根据现场定义 的P L C结构 ，在总线窗 口中进 行硬件组态，然后在C A N o p e n 总线窗口中添加从 站设备 ，打开已建立的从站 ，选择P DO项 进行配 置 。再根据系统设计需要，将定义好 的变量通过 S F C顺序功 能 图，配合S T与L D语言组 织起来 ， 确定变量间约束关系 ，编写程 序完成 系统 指定动 作 。程序模块有待机模块、产品识别模块 、产 品分拣模块与回归初始位置模块 ，其 中产 品分拣 模块完成机械 手的抓取动作 。图4 和图5 是部分程 序的梯形图。 书 r 十 ’ l ⋯ 0 。。 ～r _ 一 吧1 书 一 i 图4 机 械手 回转抓 取控制 梯形 图 这里 采用 加计数器CT U来测算输 出脉冲的个 数 。C U为触发输入 ，Q为输出，R 为复位，P V 为给定值 ，C V为当前计数值 。对于C U端 每次从 “ 0 ”到 “ l ”的跳变，都会使C V加1 ，当C V P V 时，输出端Q置1 。 当机械手程序启动后，P L C 开始向回转臂步进 电机发送脉冲，回转臂开始转动 ，加计数器 累计 脉冲个数 ，给定值P V为1 0 0 。计数器不断将当前计 数值C V与给定值P V进行比较 ，当CV P V时 ，说 明机械手回转臂 已经到达指定位置 ，计数器输 出 端Q 置1 ，回转到位线圈t u r n c mp 通电，回转臂停 [ 1 2 6 1 第3 5 卷第7 期2 0 1 3 0 7 上 止 。手爪张开脉冲控制同理。 图5 机械手复位与启动梯形 图 启动和复位是一 系列顺序执行 的S T 语句 ，将 这 些语句编辑成功能块OP E R AT E ，既使程序更简 洁，又方便主程序调用 。当机械手启动时，启动 触点a r m r u n 闭合 ，线圈a r m r u n n i n g 通 电形成 自 锁，同时执行相应的功能块，机械手开始工作 ；当 机械手复位时，复位触点a r m_ r e s e t 闭合，复位线圈 ar m _r e s e t 通电，线圈a r m_ r e s e t r u n 通 电形成 自锁， 同时执行功能块中的语句，完成机械手复位 。 5 结束语 本文设计并制造 了一个应用于工业流水线的 机械手 ，采用 了施耐德公司的Mo d i c o n M3 4 0 系列 的P L C进行控制 ，在简化 了复杂的硬件接线的 同 时 ，提高 了控制系统的稳定性和抗干扰能力 。经 调试 ，整套设 备运行 良好 ，机械性能和 电气性能 均达到设计要求，具 有很好 的操作性和很高的实 用性 。 参考文献 【 1 】夏德钤洎 动控制理论【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 ． 【 2 】郑阿奇． 施耐德P L C应用技术[ M] ． 北京 电子工业出版 社， 2 0 1 1 ． [ 3 】褚云峰． 施耐德电气可编程序控制器原理及应用[ M】 ． 北 京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． 【 4 】孙宝均． 机械设计基础【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 5 】文方， 房驰， 陈芳． 基于P L C的机械手控制设计[ J 】 ． 机床电 器 。 2 0 0 9 ． 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m