基于圆柱坐标方式的小型机械手的PLC控制系统.pdf

基于圆柱坐标方式的小型机械手的 PLC 控制系统 PLC Controlling System of Small - Size Manipulator Based Cylindrical Coordinate ! 何芳 （济南大学信息科学与控制学院， 250022） 欧阳云 （济南铁路局， 2500l3） 摘要：在由物料传送辊道、 物料分拣机械手、 堆垛机和立体仓库组成的物料传送系统中， 机械手起着重 要作用。本文介绍了采用西门子 S7 - 200PLC 可编程控制器实现系统中机械手的空间位移控制。机械手的空 间位移方式采用圆柱坐标方式， 可实现底盘旋转角、 机械手臂伸缩半径、 手臂立柱的升降高度、 腕部回转角四 自由度控制。 关键词：机械手圆柱坐标PLC步进电动机 Abstract：The manipuiator piays an important roie in the system of materiai carrying，which is consist of conveyer， manipuiator，stacker and three- dimensionai storage.This paper presents the three- dimensionai dispiacement controiiing of the manipuiator by using SIEMEN S7 - 200 PLC.Cyiindricai coordinate is utiiized in the controiiing of three-dimensionai dis- piacement of the manipuiator.Four freedom controiiing can be achieved by the manipuiator inciuding rotary angie of base， teiescopic radius of arm，iifting height of coiumn，as weii as rotary angie of wrist. Key words：manipuiatorcyiindricai coordinatePLCstep eiectromotor 0引言 在许多行业都会遇到各种物料传送问题， 对 物料传送系统的自动化控制技术研究已经成为现 代物流系统先进技术领域中的一个重要的分支。 在物料传送系统中， 程控智能化物料分拣传送机 械手发挥着重要的作用。采用 PLC 可编程控制 器控制技术， 并借助必要的精密传感器， 可以控制 机械手有效地实现传送过程中对物料的品种分 选、 方位判断和搬运。 1小型机械手在物料传送系统中的作用 整个物料传送系统由 3 部分组成， 即 3 路传 送辊道执行部分、 物料分拣小型机械手执行部分 和堆垛机及双排 48 仓位立体仓库部分。如图 l 所示， 物料分拣小型机械手是系统中的枢纽， 起着 上传下送的重要作用。3 个组成部分一方面分别 由独立的 PLC 控制系统进行控制， 另一方面它们 又通过一台上位机中的西门子 CP54l2 板卡建立 起 PROFIBUS - DP 网相互联结。在物料传送辊道 部分， 系统设有多种传感器， 包括条码读入器、 金 属与非金属传感器、 颜色传感器、 称重传感器以及 位置传感器等， 这些传感器为物料分拣的不同要 求提供信息。 当需要把物料传送入库时， 机械手根据信息 管理软件对传感器信息的数据进行处理和分析。 首先从初始位置 l 号位移位到相应的传送辊道货 台抓取物料， 然后再准确移位到立体仓库的货台， 放下物料后返回初始位置待命， 物料最后由堆垛 机再送至立体仓库的确定位置。 当需要把物料从立体仓库取出时， 首先是堆 垛机根据信息管理软件给出的供货要求到立体仓 库中取出物料， 送至立体仓库的出货台上。机械 手的任务就是准确地从出货台上把物料抓起， 移 送至相对应的传送辊道上， 然后由辊道把物料送 出。 图 1 物料传送系统组成示意图 2小型机械手的空间位移方式 机械手三维空间的位移控制常用的有球坐标 方式 （半径、 横向回转、 纵向回转） 、 三维直角坐标 方式 （X 轴、 Y 轴、 Z 轴） 和圆柱坐标方式 （半径、 回 转角、 圆柱的高度） ， 选择哪种坐标方式取决于机 械手在实际系统中的设计要求。 在我们的物料传送系统中， 小型机械手的空 间位移方式采用了圆柱坐标方式。系统中机械手 需要准确定位的主要是 5 个货台位置。如图 l 所 示， 机械手的初始位置是号位， 号位和号位 分别是立体仓库的 2 个货台， 号位、号位和 号位分别是 3 条传送辊道的货台。机械手需要在 一定高度的空间移动到一个货台， 然后降低高度 抓取 （释放） 物料， 再升高运行到另外一个货台， 降 低高度释放 （抓取） 物料。采用圆柱坐标空间位移 方式可以控制转角!、 半径 r 和高度 h 到达三维 空间的任意一点。小型机械手采用圆柱坐标方 式， 可以方便地完成所要执行的任务， 即需要控制 的是底盘旋转角!、 机械手的伸缩半径 r 和手臂 立柱的升降高度 h （如图 2 所示） 。在机械手的腕 部还可以实现限定的回转角， 抓手采用气动控制。 这样， 小型机械手在空间可以实现 4 个自由度的 位移。 图 2 机械手的圆柱坐标控制方式图 3小型机械手的 PLC 控制 小型机械手的动力部分由 4 个步进电动机和 l 个气动阀门组成。4 个步进电动机分别用来控 制底盘的旋转角、 手臂的伸缩半径、 手臂在立柱上 的升降高度和手腕的旋转角； 气动阀门用来控制 机械手抓手的夹紧和释放。在每个自由度的位移 机构上都设有限位开关用来限定移动范围及进行 保护。电动机采用 SH 系列步进电动机及驱动 器， 控制器采用西门子 S7 - 200 系列 PLC。 西门子 S7 - 200 系列 PLC 是一类可编程逻辑 控制器 （Micro PLC） ， 可以满足多种多样的自动化 控制要求。由于具有紧凑的设计、 良好的扩展性、 低廉的价格以及强大的指令， 使得 S7 - 200 PLC 可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外， 丰富的 CPU 类型和电压等级使其在解决用户的 工业自动化问题时具有很强的适用性。 SH- 2H057 型驱动器用于驱动二相或四相混 合式步进电机。电机的出线方式不同， 与驱动器 的连接也不同。SH- 2H057 型步进电动机驱动器 输入信号共有 3 路， 即控制步进电机的位置和速 度的步进脉冲信号 CP、 控制步进电机的旋转方向 的方向电平信号 DIR 和脱机电平信号 FREE。我 们的小型机械手使用的电机为二相四根线电机， 可以直接和驱动器相连。 西门子 S7 - 200 系列 CPU 支持高速脉冲输 出， O 0.0 和 O 0.l 可以产生高速脉冲序列输出 （PTO） 或产生脉冲宽度调制 （PWM） 控制。脉冲序 列输出 （PTO） 功能可以编程为产生一列脉冲或多 个序列脉冲组成的脉冲包络， 在这种脉冲包络操 作方式下， 可以实现步进电动机的升速、 稳速和降 速的控制过程。 因为西门子 S7-200 系列 PLC 只有 O 0.0 和 O 0.l 两个高速脉冲输出口， 只能给两个步进电动机 的驱动模块 CP 端发送位置和速度控制脉冲， 所以 我们的四自由度机械手的控制采用了 CPU226 和 CPU22l 两个模块。CPU226 的 O 0.0 和 O 0.l 分别 对手臂升/降步进电机、 手臂伸/缩步进电机的驱动 器 CP 端发送脉冲； CPU22l 的O 0.0和 O 0.l 分别对 转盘步进电机、 抓手步进电机驱动器 CP 端发送脉 冲。手臂升/降步进电机、 手臂伸/缩步进电机的正 /反转分别由 CPU226 的 O 0.3 和 O 0.4 实行控制； 底盘旋转步进电机、 手腕旋转步进电机正/反转分 别由 CPU22l 的 O 0.2 和 O 0.3 实行控制。气动抓 手及在每个自由度的位移机构上的限位保护开关 的输入输出控制则由 CPU 的其他 I/0 端子实现。 CPU226 和 CPU22l 两个模块之间采用了 PPI 通讯 方式。PLC 与机械手步进电动机的控制线路如图 3 所示。 图 ! PLC 与机械手步进电动机的控制接线图 西门子 S7 - 200PLC 采用 STEP7 - Micro/ WIN32 编程软件， 小型机械手的控制软件的一个 重要部分是对 PLC 高速脉冲口实现控制， 即提供 步进电机驱动器 CP 的脉冲列。我们在控制软件 中采用了中断方式， 并在软件中按运行速度和位 置要求设置特殊寄存器。特殊寄存器的设置包括 在 SMW68、 SMW78 中设置相应输出脉冲的脉冲周 期； 在 SMW70、SMW80 中 设 置 脉 冲 宽 度；在 SMD72、 SMD82 设置 O 0.0 和 O 0.l 对应的步进电 动机的步距脉冲个数； 在 SMB67、 SMB77 中设置对 应步进电动机的运行控制字。 “结束语 在 PR0FIBUS - DP 网络化联接的多环节物料 传送系统中， 上位机采用高级语言管理程序对用 户的物料取送的操作命令、 各种按需设置的物料 分拣传感器的信息以及物料库存情况的管理等进 行数据处理和分析判断。机械手作为系统一个重 要的执行环节采用 PLC 控制， 可以快速、 准确地 对管理软件的决策信息做出反应； 而采用圆柱坐 标空间位移方式及对各自由度运行的合理配合控 制， 可以方便、 快捷、 准确地实现机械手位置控制， 从而完成物料的传送任务。 参 考 文 献 l廖常初.可编程控制器应用技术.重庆大学出版社， l998 2马国华.监控组态软件及其应用.清华大学出版社， 200l 3许世许.可编程控制器原理、 应用、 网络.中国科学技术大学出 版社， 2000 4韩如成.DP 网络在步进电机控制系统中的应用. 兰州大学学 报， l998，（2） ! 何芳l964 年 7 月出生， 毕业于哈尔滨工业大学自动 化工程系， 硕士学位。现任济南大学信息科学与控制 学院副教授， 主要从事电气传动、 PLC、 计算机控制技 术和现代物流自动控制系统的教学和科研工作。