0 引言

　　機械手是隨著工業(yè)機械化、自動化而發(fā)展起來的一種裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、運動迅速、可靠性高、節(jié)能環(huán)保的特點．目前已經(jīng)在各行業(yè)得到了廣泛的應用。機械手的應用可以大幅度減少人工重復操作，降低生產(chǎn)過程中的危險系數(shù)，極大地提高生產(chǎn)效率與工作精度。此外，機械手還能在無人區(qū)或?qū)θ擞泻Φ沫h(huán)境中正常工作，因此對機械手進行研究對于提高人們的生產(chǎn)生活具有十分重要的意義。

　　可編程控制器(PLC)是在計算機技術、通信技術和繼電器控制技術的發(fā)展基礎上開發(fā)出來的，現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。它以微處理器為核心，采用編寫程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設備或生產(chǎn)過程。本文介紹基于德國西門子S7—200PLC開發(fā)的機械手定位控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹

　　該機械手控制系統(tǒng)的硬件包括S7—200PLC、東元TSB伺服電機、伺服電機驅(qū)動器、電磁閥、繼電器、電缸、氣缸、限位開關、工位及工件、機械手指、往復活塞式空氣壓縮機。系統(tǒng)中采用V4．0 STEP 7MicroWlN SP7對PLC進行編程。

　　1.1 系統(tǒng)控制的目的及內(nèi)容

　　系統(tǒng)通過S7—200PLC控制機械手實現(xiàn)對物品多個自由度方向(水平、垂直、左右、旋轉(zhuǎn))的抓取或放置，通過PLC編程實現(xiàn)8個工位之間復雜的控制運動。在該實驗中給出的是其中一種典型的運行方式：①把工位A1的工件搬到工位B1處；②把工位B2的工件搬到工位A1處；③把工位B1的工件搬到工位B2處；④當一個運行周期完成后會自動重復運行．

　　系統(tǒng)控制的內(nèi)容包括：①通過PLC控制器以脈沖的方式控制伺服電機精確運行，②各運行情況下實現(xiàn)機械手在導軌上的移動速度、方向、目標位置等的精確控制；③通過上位機給PLC編程，實現(xiàn)智能工件的定位傳送功能；④機械手復雜控制動作的編程實現(xiàn)。該控制具有多個考察目標，首先是對機械手橫、縱2個電缸導軌方向的精確定位和3個氣缸閥門執(zhí)行步驟的控制，如果工位和機械手此時的位置誤差超過允許范圍，則無法完成后續(xù)的動作。

　　1.2 系統(tǒng)電路圖

　　系統(tǒng)電路圖如圖1所示。圖1中，Q0.0為橫向高速脈沖信號，Q0.1為縱向高速脈沖信號，Q1.0為橫向方向信號，Q1.1為縱向方向信號。Q0.2為上下氣缸信號，Q0.3為開合氣缸信號，Q0.4為旋轉(zhuǎn)氣缸信號。

　　1.3 系統(tǒng)中各裝置的工作狀態(tài)　　(1)PLC程序模塊通過RS-485協(xié)議下載到CPU中，作為控制器負責信號的輸出，對機械手的每個動作一一發(fā)出指令并進行控制。

　　(2)伺服電機及相應驅(qū)動器作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，負責機械手的精確定位及系統(tǒng)的工作效率。伺服驅(qū)動器接收Q0.0、Q0.1、Q1.0、Q1.1以及限位開關的信號來控制電機轉(zhuǎn)動的方向和速度。在伺服驅(qū)動器上通過設定參數(shù)來確定整個系統(tǒng)的運行模式。

　　(3)空氣壓縮機為整個系統(tǒng)的氣動部分提供動力，在系統(tǒng)運行前必須保證空氣壓縮機中的氣壓達到要求，否則機械手在運行過程中會出錯。

　　(4)電磁閥和繼電器共同完成對機械手的開合、旋轉(zhuǎn)、夾緊動作的控制。繼電器把從PLC發(fā)出的低電平信號轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動電磁閥的高電平信號；電磁閥則用來控制空氣壓縮機產(chǎn)生的氣流，通過氣缸來控制機械手的開合、旋轉(zhuǎn)、夾緊。

　　(5)限位開關用來輔助控制電機的轉(zhuǎn)動，從而限制機械手移動的距離。當限位開關被觸動時會發(fā)出信號給伺服驅(qū)動器的正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))禁止端口，讓電機立即停止轉(zhuǎn)動。限位開關在整個系統(tǒng)中起到保證系統(tǒng)正常運作和保護設備的作用。

　　(6)伺服電缸是將伺服電機與絲杠進行一體化設計的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。同時將伺服電機的精確轉(zhuǎn)速控制、精確轉(zhuǎn)數(shù)控制、精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成精確速度控制、精確位置控制、精確推力控制．實現(xiàn)高精度直線運動。該系統(tǒng)中包含橫向和縱向兩個伺服電缸。另外，該系統(tǒng)中有3個氣缸分別控制機械手的開合、旋轉(zhuǎn)、夾緊。

2 機械手定位控制方法

　　現(xiàn)有的控制方法是先由PLC發(fā)出所需個數(shù)的PTO脈沖給電機驅(qū)動器，然后由驅(qū)動器控制電機按給定的脈沖個數(shù)運轉(zhuǎn)。其中，橫向為165個脈沖對應1mm的移動距離，縱向為85個脈沖對應1mm的移動距離。電機運行的速度由發(fā)出的PTO脈沖的頻率決定。由于該程序中機械手都是以恒定的速度移動，以至于在開始和停止的時候都會產(chǎn)生沖擊，特別是在短距離移動時尤為突出，這樣不僅對器件造成損害，同時也增大了誤差。

　　伺服電機驅(qū)動器一般具有多種控制模式，如位置模式(外部脈波命令)、位置模式(內(nèi)部脈波命令)、速度模式、轉(zhuǎn)矩模式等。針對該系統(tǒng)而言位置控制模式中的外部脈渡命令更加合適。為提高控制效率。實現(xiàn)對現(xiàn)場運行情況的反饋，筆者采用伺服電機自帶的編碼器作為檢測裝置，使編碼器輸出的信號通過驅(qū)動器進行分周比處理反饋到PLC，這樣便能知道現(xiàn)場的實時運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)更好的控制。其信號反饋圖見圖2。

　　分周處理表示將馬達的編碼器旋轉(zhuǎn)一周所出現(xiàn)的脈波信號個數(shù)轉(zhuǎn)換成Cn005預設的脈波信號個數(shù)，其預設值一般為1，適用于任何控制模式。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　考慮到系統(tǒng)的平穩(wěn)性和易操作性，在電機運行時采用直線加減速算法。在加速過程中采用采樣插補法，即把伺服電機加速所用的時間離散化，然后在每個時間段內(nèi)增加PTO脈沖的頻率，從而實現(xiàn)速度的平穩(wěn)增加。勻速段則以系統(tǒng)給定的速度運行?？紤]到機械誤差等因素，在減速段的時候采用使機械手漸近日標點的方法。而不是傳統(tǒng)的減速運行到速度為零。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。其中，Pr為系統(tǒng)給定脈沖個數(shù)與驅(qū)動器反饋脈沖個數(shù)之差，Pu為機械手速度從O到Vm所需要的脈沖，Vt為機械手實時運行速度，Vn為低頻信號下機械手的運行速度，Vm為高頻信號下機械手的速行速度，ε為一給定常數(shù)，用于判斷PLC是否向驅(qū)動器發(fā)出停止信號。

　　該控制方法中加速運動時的加速度給定，減速運動的時候是每次輸出脈沖差值的百分比。使反饋脈沖不斷減小，直到一小到一個可以忽略的值，該值即為ε，經(jīng)實驗證明一般取ε為20～30較為合適。

4 結(jié)論

　　采用PLC中的PTO脈沖信號能很好地實現(xiàn)對電機的變速控制，通過實驗證明該方法能有效減小系統(tǒng)的沖擊，增加系統(tǒng)的精度，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強。該系統(tǒng)在搬運工作中能滿足實際需求。