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plc控制論文-----基于PLC的機械手控制設計
基于PLC的機械手控制設計
隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善， 使機械手技術快速發(fā)展，其中氣動機械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領域的各個部 門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動機械手有氣控機械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機構、旋轉(zhuǎn)基座等機械部分組成。主要作用是完成機械部件的搬運工 作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。
一 四軸聯(lián)動簡易機械手的結構及動作過程
機械手結構如下圖1所示，有氣控機械手（1）、XY軸絲杠組（2）、轉(zhuǎn)盤機構（3）、旋轉(zhuǎn)基座（4）等組成。
圖1 機械手結構圖
其運動控制方式為：（1）由伺服電機驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)角度為360的氣控機械手（有光電傳感器確定起始0點）；（2）由步進電機驅(qū)動絲杠組件使機械手沿X、 Y軸移動（有x、y軸限位開關）；（3）可回旋360的轉(zhuǎn)盤機構能帶動機械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)（其電氣拖動部分由直流電動機、光電編碼器、接近開關等組 成）；（4） 旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分；（5）氣控機械手的張合由氣壓控制（充氣時機械手抓緊，放氣時機械手松開）。
其工作過程為：當貨物到達時，機械手系統(tǒng)開始動作；步進電機控制開始向下運動，同時另一路步進電機控制橫軸開始向前運動；伺服電機驅(qū)動機械手旋轉(zhuǎn)到達正好抓取貨物的方位處，然后充氣，機械手夾住貨物。
步進電機驅(qū)動縱軸上升，另一個步進電機驅(qū)動橫軸開始向前走；轉(zhuǎn)盤直流電機轉(zhuǎn)動使機械手整體運動，轉(zhuǎn)到貨物接收處；步進電機再次驅(qū)動縱軸下降，到達指定位置后，氣閥放氣，機械手松開貨物；系統(tǒng)回位準備下一次動作。
二 控制器件選型
為達到精確控制的目的，根據(jù)市場情況，對各種關鍵器件選型如下：
1. 步進電機及其驅(qū)動器
機械手縱軸（Y軸）和橫軸（X軸）選用的是北京四通電機技術有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進電機，步距角為0.9/1.8，電流 1.5A。M1是橫軸電機，帶動機械手機構伸、縮；M2是縱軸電機，帶動機械手機構上升、下降。所選用的步進電機驅(qū)動器是SH-20403型，該驅(qū)動器采 用10～40V直流供電，H橋雙極恒相電流驅(qū)動，最大3A的8種輸出電流可選，最大64細分的7種細分模式可選，輸入信號光電隔離，標準單脈沖接口，有脫 機保持功能，半密閉式機殼可適應更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動半電流方式。驅(qū)動器內(nèi)部的開關電源設計，保證了驅(qū)動器可適應較寬的電壓范圍，用戶可根據(jù) 各自情況在10～40VDC之間選擇。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機的高速力矩，但卻會加大驅(qū)動器的損耗和溫升。本驅(qū)動器最大輸出電流值為 3A/相（峰值），通過驅(qū)動器面板上六位撥碼開關的第5、6、7三位可組合出8種狀態(tài)，對應8種輸出電流，從 0.9A到3A以配合不同的電機使用。本驅(qū)動器可提供整步、改善半步、4細分、8細分、16細分、32細分和64細分7種運行模式，利用驅(qū)動器面板上六位 撥碼開關的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài)。
2. 伺服電機及其驅(qū)動器
機械手的旋轉(zhuǎn)動作采用松下伺服電機A系列小慣量MSMA5AZA1G，其額定輸出50W、100/200V共用，旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格為增量式（脈沖數(shù) 2500p/r、分辨率10000p/r、引出線11線）；有油封，無制動器，軸采用鍵槽連接。該電機采用松下公司獨特算法，使速度頻率響應提高2倍，達 到500Hz ；定位超調(diào)整定時間縮短為以往松下伺服電機產(chǎn)品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全閉環(huán)控制功能，可彌補機械的剛性不足，從而實現(xiàn)高速定位， 也可通過外接高精度的光柵尺，構成全閉環(huán)控制，進一步提高系統(tǒng)精度。具有常規(guī)自動增益調(diào)整和實時自動增益調(diào)整兩種自動增益調(diào)整方式，還配有RS-485、 RS-232C 通信口，使上位控制器可同時控制多達16個軸。伺服電機驅(qū)動器為A系列MSDA5A3A1A，適用于小慣量電動機。
3. 直流電機
可回旋360的轉(zhuǎn)盤機構有直流無刷電機帶動，系統(tǒng)選用的是北京和時利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無刷直流電機，其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運行平 穩(wěn)、低噪音、效率高。無刷直流電機驅(qū)動器使用北京和時利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動器，其采用24～48V直流供電，有起停及轉(zhuǎn)向控制、過流、過壓及堵 轉(zhuǎn)保護，且有故障報警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動快速停機等特點。
4. 旋轉(zhuǎn)編碼器
在可回旋360的轉(zhuǎn)盤機構上，安裝有OMRON公司生產(chǎn)的E6A2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將信號傳給PLC，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤機構的精確定位。
5. PLC的選型
根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，選用OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A小型機。CPM2A在一個小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能，包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸 出、模擬量設定和時鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個獨立單元，能處理廣泛的機械控制應用問題，所以它是在設備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品。完 整的通信功能保證了與個人計算機、其它OMRON PC和OMRON可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯(lián)動簡易機械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中。
三 軟件編程
1. 軟件流程圖
流程圖是PLC程序設計的基礎。只有設計出流程圖，才可能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語句表，最終完成程序的設計。所以寫出流程圖非常關鍵也是程序設計首先要做的任務。依據(jù)四軸聯(lián)動簡易機械手的控制要求，繪制流程圖如圖2所示。
圖2 軟件流程圖
2. 程序部分
由于論文篇幅有限，這里只列出了開始兩段程序，供讀者參閱，見圖3。
圖3 程序列表
四 結束語
四軸聯(lián)動簡易機械手的各個動作和狀態(tài)都由PLC控制，不僅能滿足機械手的手動、半自動、自動等操作方式所需的大量按扭、開關、位置檢測點的要求，更可通過接口元器件與計算機組成
PLC工業(yè)局域網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信與網(wǎng)絡控制。使四軸聯(lián)動簡易機械手能方便地嵌入到工業(yè)生產(chǎn)流水線中。
附另一篇論文：
摘要：介紹可編程控制器在工業(yè)控制領域的應用以及PLC在應用過程中，要保證正常運行應該注意的一系列常見問題，并給出一些合理的建議及解決方法。
關鍵詞：PLC 工業(yè)控制 抗干擾 布線 接地 建議
一、簡述
多年來，可編程控制器(以下簡稱PLC)從其產(chǎn)生到現(xiàn)在，實現(xiàn)了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步；其應用領域從小到大，實現(xiàn)了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡的各方面能力都已大幅提高，成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。
二、PLC的應用領域
目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類：
1.開關量邏輯控制；2.工業(yè)過程控制；3.運動控制；4.數(shù)據(jù)處理；5.通信及聯(lián)網(wǎng)。
三、PLC的應用特點
1.可靠性高，抗干擾能力強。2.配套齊全，功能完善，適用性強。3.易學易用，深受工程技術人員歡迎。4.系統(tǒng)的設計，工作量小，維護方便，容易改造。
(1)安裝與布線。動力線、控制線以及PLC的電源線和I／O線應分別配線，隔離變壓器與PLC和I／O之間應采用雙膠線連接。
PLC應遠離強干擾源如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動力設備，不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內(nèi)。PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。
(2)I／O端的接線。輸入接線：輸入接線一般不要太長。輸入／輸出線不能用同一根電纜，輸入／輸出線要分開。盡可能采用常開觸點形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。
輸出連接：輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。
由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板。
使用電感性負載時應合理選擇，或加隔離繼電器。
PLC的輸出負載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制四、PLC應用中需要注意的問題
PLC是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動化控制的設備，一般不需要采取什么措施就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。然而，當生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，就可能造成程序錯誤或運算錯誤，因此在使用中應注意以下問題：
1.工作環(huán)境
(1)溫度。PLC要求環(huán)境溫度在0～55℃，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大。
(2)濕度。為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于85％(無凝露)。
(3)震動。應使PLC遠離強烈的震動源，防止振動頻率為10～55Hz的頻繁或連續(xù)振動。當使用環(huán)境不可避免震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等。
(4)空氣。避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。
(5)電源。PLC對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴重的環(huán)境中，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。
2.控制系統(tǒng)中干擾及其來源
現(xiàn)場電磁干擾是PLC控制系統(tǒng)中最常見也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素之一，所謂治標先治本，找出問題所在，才能提出解決問題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場干擾的源頭。
(1)干擾源及一般分類。通常電磁干擾按干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。
(2)PLC系統(tǒng)中干擾的主要來源及途徑
強電干擾：PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓。
柜內(nèi)干擾：控制柜內(nèi)的高壓電器，大的電感性負載，混亂的布線都容易對PLC造成一定程度的干擾。
來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾：接地是提高電子設備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾。
來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾：主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。
變頻器干擾：一是變頻器啟動及運行過程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出會產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊設備的正常工作。
3.主要抗干擾措施
(1)電源的合理處理，抑制電網(wǎng)引入的干擾。對于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。
(2)正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)又會出現(xiàn)感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。
安全地或電源接地：將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。如電源漏電或柜體帶電，可從安全接地導入地下，不會對人造成傷害。
五、結束語
隨著PLC應用領域的不斷拓寬，如何高效可靠的使用PLC也成為其發(fā)展的重要因素。21世紀，PLC會有更大的發(fā)展，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，通過完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求，PLC作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)控制領域發(fā)揮越來越大的作用
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