PLC在機械手控制中的應用

隨著社會生產不斷進步和人們生活節奏不斷加快，人們對生產效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發展和現代控制理論的不斷完善，使機械手技術快速發展，其中氣動機械手系統由于其介質來源簡便以及不污染環境、組件價格低廉、維修方便和系統安全可靠等特點，已滲透到工業領域的各個部門，在工業發展中占有重要地位。本文講述的氣動機械手有氣控機械手、XY軸絲杠組、轉盤機構、旋轉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)、轉盤機構(3)、旋轉基座(4)等組成。

機械手結構
其運動控制方式為：(1)由伺服電機驅動可旋轉角度為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°的轉盤機構能帶動機械手及絲杠組自由旋轉(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；伺服電機驅動機械手旋轉到達正好抓取貨物的方位處，然后充氣，機械手夾住貨物。
步進電機驅動縱軸上升，另一個步進電機驅動橫軸開始向前走；轉盤直流電機轉動使機械手整體運動CONTROL ENGINEERING China版權所有，轉到貨物接收處；步進電機再次驅動縱軸下降，到達指定位置后，氣閥放氣www.cechina.cn，機械手松開貨物；系統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，根據市場情況，對各種關鍵器件選型如下：
1. 步進電機及其驅動器
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動器是SH-20403型，該驅動器采用10～40V直流供電，H橋雙極恒相電流驅動，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境CONTROL ENGINEERING China版權所有，提供節能的自動半電流方式。驅動器內部的開關電源設計，保證了驅動器可適應較寬的電壓范圍，用戶可根據各自情況在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，但卻會加大驅動器的損耗和溫升。本驅動器最大輸出電流值為3A/相(峰值)，通過驅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，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。
2. 伺服電機及其驅動器
機械手的旋轉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，旋轉編碼器規格為增量式(脈沖數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www.cechina.cn，達到500Hz ；定位超調整定時間縮短為以往松下伺服電機產品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全閉環控制功能，可彌補機械的剛性不足，從而實現高速定位，也可通過外接高精度的光柵尺，構成全閉環控制，進一步提高系統精度。具有常規自動增益調整和實時自動增益調整兩種自動增益調整方式，還配有RS-485、 RS-232C 通信口控制工程網版權所有，使上位控制器可同時控制多達16個軸。伺服電機驅動器為A系列MSDA5A3A1A，適用于小慣量電動機。
3. 直流電機
可回旋360°的轉盤機構有直流無刷電機帶動，系統選用的是北京和時利公司生產的57BL1010H1無刷直流電機，其調速范圍寬、低速力矩大、運行平穩、低噪音、效率高。無刷直流電機驅動器使用北京和時利公司生產的BL-0408驅動器，其采用24～48V直流供電，有起停及轉向控制、過流、過壓及堵轉保護，且有故障報警輸出、外部模擬量調速、制動快速停機等特點。
4. 旋轉編碼器
在可回旋360°的轉盤機構上，安裝有OMRON公司生產的E6A2增量型旋轉編碼器，編碼器將信號傳給PLC，實現轉盤機構的精確定位。