基于plc的机械手控制系统设计

前言
随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

本文将通过西门子PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为
核心的通用的工业自动化控制装置。

随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。

目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。

该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。

1机械手概述
1.1机械手简介
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。

1.2机械手组成
机械手主要由手部、驱动系统、控制系统组成。

结构如图1-1所示：
图1-1机械手结构图
Fig. 1-1 Manipulator structure
（1）手部
即与物件接触的部件。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，
根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

（2）驱动系统
使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

1.3机械手的应用
随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。

在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。

其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

机械工业中，应用机械手的主要目的是：
一、可以提高生产过程的自动化程度
应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、可以改善劳动条件、避免人身事故。

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能。

而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减少人力，并便于有节奏地生产
应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动
化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。

由此可见，有效地应用机械手，是发展工业的必然趋势。

2 PLC的简介
2.1 PLC的产生
1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K 。

核心思想：用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展，这是PLC的雏形。

1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功。

2.2 PLC的定义和特点
2.2.1 PLC的定义
美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义：可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。

它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以
开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。

早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC，后来随着计算机技术不断发展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般把PLC作为可编程控制器的简称。

2.2.2 PLC的特点
可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。

（2）编程简单，易于掌握PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。

（3）功能完善，灵活方便随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。

既可以单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。

而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。

（4）体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构紧凑、功耗低。

2.3可编程控制器的主要性能指标
可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。

（1）输入/输出点数(I/O) I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。

它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。

（2）存储容量存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。

（3）扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。

（4）功能扩展能力可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。

如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。

（5）指令系统指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。

2.4可编程控制器的分类
通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。

（1）按结构形式分类按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。

整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一
个机壳内，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种机构。

模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块等，然后进行组合。

（2）按控制规模分类按控制规模大小，可分为小型、中型和大型PLC 三种类型。

1）小型PLC。

小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量在2KB以内，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。

2）中型PLC。

中型PLC的开关量I/O点数通常在256-2048点之间，用户程序存储器的容量为2-8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节，如比例、积分、微分（PID）调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。

3）大型PLC。

大型PLC也称为高档PLC，I/O点数在2048点以上，用户程序存储容量在8KB以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。

2.5 PLC系统的组成
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其结构与微型计
算机控制系统相似，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。

2.5.1 PLC的硬件结构
一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成：
(1)中央处理器(CPU) 与计算机一样，是PLC的核心部件。

(2)存储器PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。

(3)输入/输出（I/O）接口电路。

(4)电源。

(5)扩展单元。

(6)外部设备。

其中，各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。

其结构简图如下：
图2-1 PLC硬件结构图
Fig. 2-1 PLC hardware structure
2.5.2 PLC的软件
PLC的软件是指PLC所使用的各种程序的集合。

它由系统程序（系统软件）和用户程序（用户软件）组成。

（1）系统程序系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。

（2）用户程序用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。

2.6可编程控制器的工作方式
可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。

从第一条指
令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序直到程序结束。

然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。

图2-2 PLC工作方式图
Fig. 2-2 PLC work way figure
可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。

PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。

扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。

2.7 PLC的编程语言
PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。

其中前两种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。

1.梯形图语言
（1）梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。

PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。

（2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。

每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。

（3）梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。

（4）梯形图的最右端必须连接输出元素。

（5）梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。

2.助记符语言
助记符语言是PLC命令的语言表达式。

用梯形图编程虽然直观、简便，但要求PLC配置较大的显示器时可输入图形符号，这在有些小型机上常难以满足，所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式。

不同型号的PLC，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的。

编程时，一般先跟据要求编制梯形图语言，然后再根据梯形图转换成助记符语言。

3.顺序功能图语言
顺序功能图SFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分为若干个阶段(状态)，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始。

2.8 PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可
归纳为如下几类。

1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般
闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

3机械手的设计
3.1机械手的控制要求
本机械手的控制要求：机械手搬运零部件动作示意图如下图3-1 所示，该机械手可用来将工件从A工位搬到B工位，实现方式有手动自动两种工作方式，其动作过程分为10 工步，即从原位开始顺序经过10个动作后完成一个周期，并返回原位，在此，定义机械手处于左旋限位，上行限位时为原点。

具体过程是：横轴下降，至下限位开关，夹紧工件，横轴上升，至上限位开关，底盘右旋转，至右旋限位开关，横轴右行，至右限位开关，横轴下降，至下限位开关，松开工件，横轴上升，至上限位开关，横轴左行，至左限位开关，底盘左旋转，至左旋限位开关，返回原位，完成一个周期。

为了便于控制系统调试和维护，本控制系统有手动功能和自动功能。

当手
动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。

当机械手处于原位时，将手动/自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态。

机械手工作方式说明如下：
（1）手动工作方式即单步运行，每按一个按钮，执行一步操作；
（2）自动工作方式即连续运行，按下启动按钮，机械手自动运行，一个周期后循环工作，直至完成搬运任务；
（3）运行之前，通常对机械手进行复位操作，复位操作有机械手在左边、在右边、在中间三种情况，要逐一考虑，使机械手在任意位置都可以完成复位，回到原点；
（4）运行过程中，当按下停止按钮时，要停止一切动作。

图3-1机械手搬运零部件示意图
Fig. 3-1 Manipulator handling parts schemes
3.2机械手控制系统设计方案的比较
在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器—接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。

但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC控制系统。

因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、
右移、夹紧、放松、左旋、右旋和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主，是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。

本系统的开关量输入信号为数字信号，直接连接PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。

系统框图如图3-2所示。

图3-2系统框图
Fig. 3-2 The system frame
4系统硬件电路的设计
4.1 PLC的选型
目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。

本文选择的是德国西门子公司生产的S7-200 PLC。

S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。

特别是
S7-200CPU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。

同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。

根据机械手的控制要求，PLC输入、输出点分配如表所示：
表4-1 PLC的I/O分配表
Tab. 4-1 PLC of I/O distribution list
由上表可知，该控制系统共需要17个输入点，8个输出点，此处选用西门子公司生产的小型PLC S7-200系列的CPU226继电器输出型可编程控制器，该控制器输入点24个，输出点16个。

4.2机械手驱动的选择
机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。

步进电机的运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。

机械手的上升/下降、左行/右行动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。

基座旋转是通过控制直流电机的转动方向来实现的。

机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。

当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。

4.2.1步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

通俗一
点讲：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(即步距角)。

通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

本系统采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。

主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。

此处采用串联型接法，其电气接线图如下图4-1所示。

步进电机的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, 它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步距角。

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

图4-1步进电机电气接线图
Fig. 4-1 Step motor electrical hookup
4.2.2步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般为低速）二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍最好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化
的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60 其P为功率，单位为瓦；Ω为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿·米；P=2πfM/400(半步工作），其中f为每秒脉冲数（简称PPS) 。

此外，在选取电机时，我们应该注意：
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时3000PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

3、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一是可以保证电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

4、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

5、应遵循先选电机后选驱动的原则。

根据以上原则，我们选用深圳雷塞两相57HS13系列步进电机，电机参数为：
表4-2 步进电机参数表
Tab. 4-2 Step motor parameter table。