基于plc控制机械手的运动设计(编辑修改稿)

基于plc控制机械手的运动设计(编辑修改稿)内容摘要：

作，以防存储器内容被破坏。 这样，一旦检测到外界环境正常后，便可恢复故障前的状态，继续原来的处理。 在 PLC 中还采用程序驱动故障指示的诊断方法。 这是用一般经常执行的程序，使硬件产生一些规定的信号，用这个信号来指示 CPU 处于正常状态，万一 CPU 发生故障，这个规定信号就不再出现，从而指示 CPU 的故障状态。 二、 松下 PLC 的特点 在对机械手的控制 中选松下 PLC 来控制步进电机。 松下 FP 系列 PLC 有以下几方面特点： [6] （ 1） 丰富的指令系统 在 FP 系列 PLC 中即使是小型机也具有近 200 条指令，除能实现一般逻辑控制还可天津 职业技术师范大学 2020 本科生 毕业设计 8 进行运动控制、复杂数据处理，甚至可以控制变频器实现电机的调速与对步进电机的控制。 （ 2） 快速的 CPU 处理速度 FP 系列机中 CPU 速度均优于同类产品，小型机尤为突出。 （ 3） 大程序容量 FP 系列的用户程序容量也较同类机型大，其小型机一般可达 3 千步左右，最多可达 5 千步，而大型机最高可达 60 千步。 （ 4） 功能强大的编程工具 FP 系列机不论采用的是手持编程器还是编 程工具软件，其编程及监控功能都很强。 （ 5） 强大的网络通信功能。 FP 系列的各种机型都提供了通信功能，而且它们所采用的应用层通信协议具有一致性，这为构成多级 PLC 网络，开发 PLC 网络应用程序提供了方便。 并且在 PLC 最高层的管理网络中采用了包含 TCP/IP 技术的 Ethemet 网，可通过它连接到计算机互联网上。 三、 PLC 型号的选择 此次研究的机械手驱动电机为步进电机， 步进电机主要由 PLC 与位置控制模块来控制， 机械手的运动是由 五 台步进电机协调运作而完成的 ，其中 PLC 控制三台步进电机，位置控制模拟控制两台步进电机。 因 此在选用 PLC 的型号时就应在满足机械手的硬件要求下完成的。 在本次设计中要选用两台 PLC 通过采用 RS232 通信端口使用 串行通信传输数据 来控制 三 台步进电机。 本次设计 选择 PLC 型号为 松下 FPΣ32。 FPΣ32 型 PLC 输入 /输出点数为 16 点，体积小，容量大，具有 12K 的编程容量，并且具有中型 PLC 所具备的所有功能。 可实现全方位通信功能，使用工具口（ RS232C）通过它主机能够与触摸屏或电脑实现通信。 此外，我们还可选择带有 RS232C 和 RS485 接口的通信卡实现通信功能。 安装一个双通道的 RS232C 型通讯卡，主 机就能通过 RS232 口实现与两套外设的连接。 可实现最大 100KHZ（使 2 通道时为 60HZ）的梯形加减速控制，能够控制步进电机和伺服电机。 提供梯形控制、返回原点、点动运行等专用高级指令。 脉冲输出能实现四种形式：脉冲 /信号输出， CW/CWW 输出。 FPΣ 的控制单元最多可连接三块 FP0的扩展单元或 FP0 的智能单元。 对于扩展单元的排序和类型没有单独要求，继电器输出类型和晶体管输出类型的组合也是可行的。 [7] 位置控制模块的选择及其基本功能 在位置控制模块中通过对控制字的控制可以选择不同的加 /减速模式、方向控制与工作模式。 该 控制模块为操作者提供几种加 /减速模式，即线性模式、正弦模式、二次曲线模式、摆线模式与三次曲线模式。 操作者可以根据不同的控制要求来选择不同的加/减速模式。 本模块还提供几种基本工作方式 给 操作者选择，工作方式有如下几种： 天津 职业技术师范大学 2020 本科生 毕业设计 9 （ 1） E point control(单一速度控制 ) 在此控制方式中操作者可以根据需要设置控制字、起始速度、终止速度、加 /减速时间、输出脉冲个数五个参数来控制步进电机。 但此控制方式 只有一 种终止速度。 （ 2） P point control(多种速度控制 ) 在此控制方式中操作者可以根据需 要设置控制字、起始速度、终止速度、加 /减速时间、输出脉冲个数五个参数来控制步进电机。 但此控制方式 有多种终止速度，操作者可以根据需要编制程度以获得多种速度。 此种方式较适用于电机带载起动。 （ 3） JOG Operation(JOG 操作 ) JOG 操作工作方式用户只需设置控制字，起始速度、终止速度与加 /减速时间四个参数便可控制电机动作。 电机走过的脉冲数由外部起动开关来控制，当开关闭合时电机按所设置的参数运行，当开关断开后电机按所设置参数的加速率从终止速度开始减速至起始速度后停止脉冲输出。 此工作方式相当于继电控制中的 点动控制。 （ 4） JOG Positioning(JOG 位置控制 ) JOG 位置控制工作方式用户通过设置控制字、起始速度、终止速度、加 /减速时间、输出脉冲个数五个参数便可控制电机动作。 此工作方式与 E point control 有类似之处即只能有一种终止速度，不同的是此工作方式在外部开关闭合后电机按 所 设置的参数加速到终止速度后并不执行位置操作而是位置控制开始的输入闭合后才按所设置输出脉冲。 位置控制开始属于时间输入，可接外部控制。 通过操作者的需要控制具体时间以控制位置控制的开始。 但在该工作方式中不能采用绝对控制， 否则会造成错误。 （ 5） Home Return(回零点操作 ) 本模块中提供了几种回零的模式，用户可根据具体需要来设置控制字来选择不同的回零方式。 具体的回零方式中有零点寻找与回零点操作两种工作方式。 在此操作中只要设置控制字、起始速度、终止速度、加 /减速时间四个参数来达到控制要求。 (6） Deceleration Stop and Forced Stop(正常停止与急停 ) 在该模块中提供了两种停止方式即正常停止与急停。 正常停止是在停止信号发出后该 模块按加速率从终止速度减速至起始速度后停上脉冲输出使电机停止。 急停 是指停止信号发出后电机没有减速过程立即停止。 停止信号由外部开关发出，为控制模块提供停止信号。 (7） Pulser Input Operation(脉冲发生器输入操作 ) 在该模块接入脉冲发生器，根据用户需要设置不同的控制字，控制模块可以根据控制字的设置对脉冲发生器输入的脉冲进行不同的细分，用细分后的脉冲来控制电机。 在使用该功能中用户中只设置控制字与终止速度两参数就可实现该功能。 此功能不能与反馈计数器同时操作。 (8） Feedback Counter(反馈计数器 ) 利用在程序中可以监控反馈计数器中的脉冲个数与位 置控制经过值相比较，若两值天津 职业技术师范大学 2020 本科生 毕业设计 10 的差值在允许范围内说明电机运行精度满足控制要求，若两差值不在允许范围内就应采取适当的措施。 该功能可以对电机的输出进行监控，以满足控制精度要求，适用于闭环控制。 此项功能不能与脉冲发生器输入操作同时进行。 在对步进电机控制过程中除了 PLC通过编程对步进电机发出控制脉冲以达到控制步进电机的目的。 松下的位置控制模块配合松下 FP∑ PLC 共同使用对步进电机发出控制脉冲，以达到控制的目的。 松下的位置控制模块是松下 PLC 一种智能扩展模块，它与松下PLC 一样用同样的编程语言编程，并且具有多种控制方式 可供用户选择。 在控制模块中，可以通过修改其控制字来改变步进电机旋转方向、加 /减速模式、工作方式与各种极限位置的保护等等。 在本次设计中 有三台 在 步进电机由 PLC控制 ，有两台步进电机由位置控制模块控制。 在选择位置控制模块的过程中，选用控制模块的型号为 模块 输入点数为 32点，输出点数为 32 点，外部可接电路电压为直流 、电流 35mA,内部最大电流为 220mA，控制模块可发出的脉冲数为 322 （ 2147483648～＋ 2147483647），速度可达 1PPS～ 4MPPS（ PPS— 脉冲 /秒）。 图 23 位置控制模块接线图 DCDC 24 VGND回零位置公共端脉冲输出方向输出脉冲信号方向信号接 PLC 控制公共端脉冲输入方向输入脱机信号A +A B +B DC两相混合式步进电机DC 24 V步进电机驱动器位置控制模块电源COM天津 职业技术师范大学 2020 本科生 毕业设计 11 机械手的 AFPG431 控制中位置控制模块控制两台步进电机，选用松下的位置控制模块是因为该模块不仅能同进控制两台步进电机发出驱动脉冲、控制步进电机转动方向、控制加∕减速度、改变加∕减速时间还有多种工作方式给操作者选择。 该模块通过FPΣ 32 的扩展口连接，通过 PLC 直接编程传入位置控制模块的共享寄存器来达到控制步进电机的目的。 使用此扩展模块不仅满足了控制要求还无需其他的编程语言便可达 到控制目的。 位置控制模块控制步进电机接线如图 23 所示。 图 23 所示的连接图中位置控制模块对步进电机发出脉冲、方向进行控制，其中脱机信号按 PLC 进行控制，外接行程开关进行回零位控制。 步进电机及其驱动器 步进电机的 选择 一、基本原理与特点 (1）步进电机基本原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。 (2）步 进电机特点 ： 1）一般步进电机的精度为步进角的 35％，且不累积。 2）步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。 一般来说，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上。 3）步进电机在运行时电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势。 频率越高，反向电动势越大。 因此电机随频率或速度的增大而使电流减小，从而导致力矩下降。 4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声 二 、 步进 电机的选择 步进电机是一种性能很 好的数字化执行元件，在数控系统的点、位控制中，可利用步进电机 作为 驱动电机，在本次设计的机械手中要满足技术要求对机械手进行轨迹控制，使机械手按所设定的轨迹运动。 机械手的 1轴 、 2轴 、 3轴与 4轴 基本 控制了机械手的运动轨迹。 只要这几部分步进电机能按照人为设计的轨迹 准确的运动就可以使步进电机按所规定的轨迹准确的运动。 在本次设计中采用开环控制，因此控制精度不如闭环控制精度高，但要在一定程度上满足机械手的控制要求就要提高 各 部位关节步进电机的运动精度。 因此在本次设计中各关节的步进电机选用了两 相混合式步进电机。 混合式步进电机 综合了反应式和永磁式两者的优点，它输出转矩大，动态性能好，步距角小， 高速特性好， 但结构复杂，成本较高。 存在低速振动区。 所用步进电机的型号是 57BYG250C,2相四线输出，步距角为 176。 /176。 在此基础上选用驱动器的型号为 SH20403。 天津 职业技术师范大学 2020 本科生 毕业设计 12 步进电机驱动器 步进电机运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器。 步进电机驱动器就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说控制系统每发一个脉冲信号通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。 驱动器 一般有以下几部分组成： 公共端、信号输入部分、输出部分等。 （ 1）公共端：本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，输入信号的电源正极连到该端子上，将输入的控制信号连接到对应的信号端子上。 控制信号低电平有效。 （ 2）信号输入部分：共有三路输入信号，它们是：步进脉冲信号 CP、方向电平信号 DIR、脱机信号 FREE。 脉冲输入信号下降沿为一有效脉冲，驱动电机运行一步，为了能确保脉冲信号的可靠响应，脉冲信号低电平的持续时间应不小于 10181。 S，响应频率为70KHZ。 方向信号输入时用高∕低电平控制电机的两个转向，共阳极此端悬空为 默认为高电平。 脱机信号低电平有效，这时电机相电流被切断，转子处于自由状态； 若为高电平或悬空不接时，转子处于锁定状态。 信号源由 PLC 主机提供。 由于 PLC 提供的电压为 24v，而输入部分的电压为 5V，所以中间加了保护电路。 步进电机驱动器主要构成如 图 24 所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成。 [5] 环 形 分 配 器信 号 放 大与 处 理推 动 级 驱 动 级保 护 图 24 步进电机驱动器组成 （ 1）环形分配器 环形分配器用来接受来自控制器的 CP 脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序 产生各相导通或截止的信号。 每来一个 CP 脉冲，环形分配器的输出转换一次。 因此，步进电机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于 CP 脉冲的有无或频率。 同时，环形分配器还要接受控制器的方向信号，而决定其输出的状态转换是按正序或者按反序转换，于是就决定了步进电动机的转向。 （ 2）信号放大与处理 从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级。 信号放大的作用是将环形分配器的输出信号加以放大，转换成足够大的信号送入推动级。 这中间需要。