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plc控制論文-----基于PLC的機(jī)械手控制設(shè)計(jì)
基于PLC的機(jī)械手控制設(shè)計(jì)
隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計(jì)算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善， 使機(jī)械手技術(shù)快速發(fā)展，其中氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來(lái)源簡(jiǎn)便以及不污染環(huán)境、組件價(jià)格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點(diǎn)，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)部 門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動(dòng)機(jī)械手有氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運(yùn)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(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。
一 四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程
機(jī)械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示，有氣控機(jī)械手（1）、XY軸絲杠組（2）、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)（3）、旋轉(zhuǎn)基座（4）等組成。
圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖
其運(yùn)動(dòng)控制方式為：（1）由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)角度為360的氣控機(jī)械手（有光電傳感器確定起始0點(diǎn)）；（2）由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠組件使機(jī)械手沿X、 Y軸移動(dòng)（有x、y軸限位開(kāi)關(guān)）；（3）可回旋360的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)能帶動(dòng)機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)（其電氣拖動(dòng)部分由直流電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、接近開(kāi)關(guān)等組 成）；（4） 旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分；（5）氣控機(jī)械手的張合由氣壓控制（充氣時(shí)機(jī)械手抓緊，放氣時(shí)機(jī)械手松開(kāi)）。
其工作過(guò)程為：當(dāng)貨物到達(dá)時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作；步進(jìn)電機(jī)控制開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)另一路步進(jìn)電機(jī)控制橫軸開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到達(dá)正好抓取貨物的方位處，然后充氣，機(jī)械手夾住貨物。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱軸上升，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫軸開(kāi)始向前走；轉(zhuǎn)盤直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到貨物接收處；步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)縱軸下降，到達(dá)指定位置后，氣閥放氣，機(jī)械手松開(kāi)貨物；系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。
二 控制器件選型
為達(dá)到精確控制的目的，根據(jù)市場(chǎng)情況，對(duì)各種關(guān)鍵器件選型如下：
1. 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器
機(jī)械手縱軸（Y軸）和橫軸（X軸）選用的是北京四通電機(jī)技術(shù)有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.9/1.8，電流 1.5A。M1是橫軸電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)伸、縮；M2是縱軸電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)上升、下降。所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是SH-20403型，該驅(qū)動(dòng)器采 用10～40V直流供電，H橋雙極恒相電流驅(qū)動(dòng)，最大3A的8種輸出電流可選，最大64細(xì)分的7種細(xì)分模式可選，輸入信號(hào)光電隔離，標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口，有脫 機(jī)保持功能，半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動(dòng)半電流方式。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，保證了驅(qū)動(dòng)器可適應(yīng)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(lái)說(shuō)較高的額定電源電壓有利于提高電機(jī)的高速力矩，但卻會(huì)加大驅(qū)動(dòng)器的損耗和溫升。本驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流值為 3A/相（峰值），通過(guò)驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開(kāi)關(guān)的第5、6、7三位可組合出8種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)8種輸出電流，從 0.9A到3A以配合不同的電機(jī)使用。本驅(qū)動(dòng)器可提供整步、改善半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分和64細(xì)分7種運(yùn)行模式，利用驅(qū)動(dòng)器面板上六位 撥碼開(kāi)關(guān)的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài)。
2. 伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器
機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作采用松下伺服電機(jī)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(wú)制動(dòng)器，軸采用鍵槽連接。該電機(jī)采用松下公司獨(dú)特算法，使速度頻率響應(yīng)提高2倍，達(dá) 到500Hz ；定位超調(diào)整定時(shí)間縮短為以往松下伺服電機(jī)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(bǔ)機(jī)械的剛性不足，從而實(shí)現(xiàn)高速定位， 也可通過(guò)外接高精度的光柵尺，構(gòu)成全閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。具有常規(guī)自動(dòng)增益調(diào)整和實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)整兩種自動(dòng)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(shí)控制多達(dá)16個(gè)軸。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為A系列MSDA5A3A1A，適用于小慣量電動(dòng)機(jī)。
3. 直流電機(jī)
可回旋360的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)有直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)，系統(tǒng)選用的是北京和時(shí)利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無(wú)刷直流電機(jī)，其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運(yùn)行平 穩(wěn)、低噪音、效率高。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用北京和時(shí)利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動(dòng)器，其采用24～48V直流供電，有起停及轉(zhuǎn)向控制、過(guò)流、過(guò)壓及堵 轉(zhuǎn)保護(hù)，且有故障報(bào)警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動(dòng)快速停機(jī)等特點(diǎn)。
4. 旋轉(zhuǎn)編碼器
在可回旋360的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)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(hào)傳給PLC，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)的精確定位。
5. PLC的選型
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A小型機(jī)。CPM2A在一個(gè)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(shè)定和時(shí)鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個(gè)獨(dú)立單元，能處理廣泛的機(jī)械控制應(yīng)用問(wèn)題，所以它是在設(shè)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(gè)人計(jì)算機(jī)、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(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。只有設(shè)計(jì)出流程圖，才可能順利而便捷地編寫出梯形圖并寫出語(yǔ)句表，最終完成程序的設(shè)計(jì)。所以寫出流程圖非常關(guān)鍵也是程序設(shè)計(jì)首先要做的任務(wù)。依據(jù)四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)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(kāi)始兩段程序，供讀者參閱，見(jiàn)圖3。
圖3 程序列表
四 結(jié)束語(yǔ)
四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作和狀態(tài)都由PLC控制，不僅能滿足機(jī)械手的手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)等操作方式所需的大量按扭、開(kāi)關(guān)、位置檢測(cè)點(diǎn)的要求，更可通過(guò)接口元器件與計(jì)算機(jī)組成
PLC工業(yè)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)控制。使四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)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(lǐng)域的應(yīng)用以及PLC在應(yīng)用過(guò)程中，要保證正常運(yùn)行應(yīng)該注意的一系列常見(jiàn)問(wèn)題，并給出一些合理的建議及解決方法。
關(guān)鍵詞：PLC 工業(yè)控制 抗干擾 布線 接地 建議
一、簡(jiǎn)述
多年來(lái)，可編程控制器(以下簡(jiǎn)稱PLC)從其產(chǎn)生到現(xiàn)在，實(shí)現(xiàn)了接線邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍；其功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備簡(jiǎn)單控制到勝任運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制及集散控制等各種任務(wù)的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數(shù)字運(yùn)算、人機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)的各方面能力都已大幅提高，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。
二、PLC的應(yīng)用領(lǐng)域
目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類：
1.開(kāi)關(guān)量邏輯控制；2.工業(yè)過(guò)程控制；3.運(yùn)動(dòng)控制；4.數(shù)據(jù)處理；5.通信及聯(lián)網(wǎng)。
三、PLC的應(yīng)用特點(diǎn)
1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。2.配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，工作量小，維護(hù)方便，容易改造。
(1)安裝與布線。動(dòng)力線、控制線以及PLC的電源線和I／O線應(yīng)分別配線，隔離變壓器與PLC和I／O之間應(yīng)采用雙膠線連接。
PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源如電焊機(jī)、大功率硅整流裝置和大型動(dòng)力設(shè)備，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。PLC的輸入與輸出最好分開(kāi)走線，開(kāi)關(guān)量與模擬量也要分開(kāi)敷設(shè)。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)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(zhǎng)。輸入／輸出線不能用同一根電纜，輸入／輸出線要分開(kāi)。盡可能采用常開(kāi)觸點(diǎn)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(dú)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(jí)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(jí)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(fù)載短路，將燒毀印制電路板。
使用電感性負(fù)載時(shí)應(yīng)合理選擇，或加隔離繼電器。
PLC的輸出負(fù)載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制四、PLC應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題
PLC是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制的設(shè)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(dāng)生產(chǎn)環(huán)境過(guò)于惡劣，電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，就可能造成程序錯(cuò)誤或運(yùn)算錯(cuò)誤，因此在使用中應(yīng)注意以下問(wèn)題：
1.工作環(huán)境
(1)溫度。PLC要求環(huán)境溫度在0～55℃，安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。
(2)濕度。為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對(duì)濕度應(yīng)小于85％(無(wú)凝露)。
(3)震動(dòng)。應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動(dòng)源，防止振動(dòng)頻率為10～55Hz的頻繁或連續(xù)振動(dòng)。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動(dòng)時(shí)，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(duì)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(duì)于電源線帶來(lái)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(yán)重的環(huán)境中，可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。
2.控制系統(tǒng)中干擾及其來(lái)源
現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾是PLC控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素之一，所謂治標(biāo)先治本，找出問(wèn)題所在，才能提出解決問(wèn)題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場(chǎng)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(lái)源及途徑
強(qiáng)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(yīng)電壓。
柜內(nèi)干擾：控制柜內(nèi)的高壓電器，大的電感性負(fù)載，混亂的布線都容易對(duì)PLC造成一定程度的干擾。
來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾：接地是提高電子設(shè)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(shè)備向外發(fā)出干擾。
來(lái)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(duì)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(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)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(duì)于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器，以減少設(shè)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(diǎn)，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(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)又會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過(guò)屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號(hào)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(dǎo)入地下，不會(huì)對(duì)人造成傷害。
五、結(jié)束語(yǔ)
隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)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(jì)，PLC會(huì)有更大的發(fā)展，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊全，通過(guò)完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求，PLC作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國(guó)際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用
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