基于S7－200的多關(guān)節(jié)機(jī)械手的PLC控制

1 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手的出現(xiàn)大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，但傳統(tǒng)的繼電器控制的半自動(dòng)化裝置因設(shè)計(jì)復(fù)雜、接線繁雜、易受干擾，從而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題，為解決以上問題，可以采用可編程控制器plc控制的機(jī)械手控制系統(tǒng)。

s7－200 plc （program logic controler）是德國西門子公司生產(chǎn)的小型可編程控制器，具有良好的可擴(kuò)展性、價(jià)格低廉、指令功能強(qiáng)大、十分適合機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。但一般工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)械手機(jī)構(gòu)多為形狀簡單的夾鉗式、托持式、吸附式等結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和抓握目標(biāo)物的原理決定了有限的抓握功能，隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大和向智能化，擬人化方向的發(fā)展，其手部也有多指多關(guān)節(jié)的擬人化要求，另外在工傷、事故中斷手的殘疾人也需要功能價(jià)格比高的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，為此我們設(shè)計(jì)出一套新的基于s7－200 plc的多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)動(dòng)作簡便、線路設(shè)計(jì)合理、具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、降低了威脅率，提高了工作效率。

由于plc控制受環(huán)境的限制，在使用過程中會(huì)受到各種干擾，影響系統(tǒng)的可靠性，因此必須采取各種抗干擾措施，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。

2. 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

多指多關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是最理想的機(jī)器人手爪，其每個(gè)手指的各個(gè)關(guān)節(jié)都各有一臺(tái)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配有傳感和控制系統(tǒng)，使手爪能完全模擬人手動(dòng)作，當(dāng)抓取的目標(biāo)物各邊形狀與手爪中心不對稱時(shí)，每個(gè)手指各關(guān)節(jié)的彎曲程度可以不同，手爪對被抓物體的形狀具有適應(yīng)性。先接觸物體的手指其指關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的抗力而不能彎曲，而其他未接觸到物體的手指將繼續(xù)彎曲，直到每一個(gè)手指都接觸物體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 工作原理

直流電機(jī)1經(jīng)諧波減速器2減速后帶動(dòng)絲杠3旋轉(zhuǎn)，使螺母4在導(dǎo)向桿12中上下移動(dòng)，螺母4帶動(dòng)五根連桿5使四個(gè)手指的第一指節(jié)7轉(zhuǎn)動(dòng)，手指安裝在彈性支座（手掌）6上，彈性支座6上另有五根固定撥桿8插入各手指的第二指節(jié)10上端的凹槽中，使第二指節(jié)在第一指節(jié)旋轉(zhuǎn)時(shí)能同時(shí)繞第一、第二指節(jié)間的關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而第一指節(jié)7下端裝有固定撥桿9插入第三指節(jié)11上端的凹槽中，使第三指節(jié)同時(shí)隨第一、第二指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)而繞第二、第三指節(jié)間的關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成三個(gè)指節(jié)聯(lián)動(dòng)抓握或放開目標(biāo)物體，其抓握原理如圖2所示。

當(dāng)抓取的目標(biāo)物各邊形狀與手爪中心不對稱時(shí)，每個(gè)手指各關(guān)節(jié)的彎曲程度可以不同，手爪對被抓物體的形狀具有適應(yīng)性，先接觸物體的手指其指關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的抗力而不能彎曲，當(dāng)螺母帶動(dòng)連桿5繼續(xù)上移時(shí)，及手指的彈性支座6將向上翹起使手指不再彎曲，而其他未接觸到物體的手指將繼續(xù)彎曲，直到每一個(gè)手指都接觸物體，如圖2（b）所示，因而同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)的五個(gè)手指能像人手一樣適應(yīng)目標(biāo)物體的形狀進(jìn)行可靠抓取。

3 plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不能過分依靠plc本體，使用外部繼電器能夠完成控制要求的，應(yīng)使用外部繼電器，系統(tǒng)電機(jī)采用自耦降壓啟動(dòng)，由于設(shè)計(jì)時(shí)取消外部時(shí)間繼電器，采用啟動(dòng)信號(hào)直接輸入plc，經(jīng)plc內(nèi)部計(jì)時(shí)器輸出運(yùn)行信號(hào)，啟動(dòng)時(shí)間難于精確確定，而且負(fù)荷變化將引起啟動(dòng)時(shí)間變化，從而當(dāng)用戶想要調(diào)整啟動(dòng)時(shí)間時(shí)就比較困難，需要具備plc編程知識(shí)及相關(guān)編程工具，而一般的用戶或電工并不具備這樣的條件，因此采用plc內(nèi)部計(jì)時(shí)器作為啟動(dòng)時(shí)間控制就頗費(fèi)周折，也不利于現(xiàn)場控制及日后維護(hù)。

ptc的自動(dòng)控制程序的編寫方法很多，根據(jù)多關(guān)節(jié)機(jī)械手的特點(diǎn)，要求每一個(gè)動(dòng)作嚴(yán)格按順序執(zhí)行，因此采用步進(jìn)指令編寫，以保證機(jī)械手的運(yùn)行有條不紊。

在順序及連鎖控制中，涉及平行并聯(lián)關(guān)系的機(jī)號(hào)，考慮到操作上的便利，讓plc能自動(dòng)選擇運(yùn)行電機(jī)，方便電機(jī)在運(yùn)行過程中能夠有選擇地運(yùn)行，連鎖關(guān)系為4級(jí)，見圖2所示，前兩極中有并列選擇運(yùn)行的電機(jī)（d1，d2，d3，d4）。

電機(jī)工作原理主要是控制電機(jī)的選擇，其電氣工作原理如圖3所示，將開關(guān)s撥到集中控制時(shí)，k2吸合給plc一個(gè)信號(hào)，讓plc識(shí)別該電機(jī)需要運(yùn)行，而沒有選擇集中控制的電機(jī)則認(rèn)為暫時(shí)不運(yùn)行。

3.2 延時(shí)報(bào)警系統(tǒng)

為避免因壓力不足或機(jī)械手動(dòng)作不到位造成的誤動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)置了延時(shí)報(bào)警系統(tǒng)，如圖4所示。

當(dāng)某一機(jī)械手爪因故障被卡超過設(shè)定時(shí)限，延時(shí)報(bào)警系統(tǒng)將動(dòng)作：設(shè)y5為控制該電機(jī)動(dòng)作的繼電器，x5為對應(yīng)動(dòng)作的限位，若該動(dòng)作超時(shí)，對應(yīng)的時(shí)間繼電器t4將動(dòng)作，則t4的動(dòng)合觸點(diǎn)接通，首先接通y18，切斷電源，停止電機(jī)運(yùn)行，因故障排除按鈕為動(dòng)作，內(nèi)部繼電器r0未導(dǎo)通，則y16接通，與之相連的報(bào)警蜂鳴器通電發(fā)聲報(bào)警，與此同時(shí)，r901c導(dǎo)通后周期性地通斷，通過已接通的t0導(dǎo)通y17，使與之相連的報(bào)警指示燈不斷閃爍，提醒工人排除故障，從而避免機(jī)械手爪故障加重造成抓舉動(dòng)作失敗而造成嚴(yán)重后果。一旦故障排除，x14接通，內(nèi)部繼電器導(dǎo)通，其通斷觸電打開，蜂鳴器停止報(bào)警，報(bào)警燈熄滅。

4 抗干擾設(shè)計(jì)

4.1 防輸入/輸出信號(hào)干擾的措施

防輸入信號(hào)的線間干擾，機(jī)械手plc控制系統(tǒng)中的這種干擾雖然可以通過輸入單元的濾波電路使其衰減，然而，輸入信號(hào)線與大地間的共模干擾在控制器內(nèi)部回路產(chǎn)生大的電位差，可能引起控制器誤動(dòng)作，因此，為了抗共模干擾，除控制器要良好接地外，在設(shè)計(jì)肋骨冷彎機(jī)plc控制系統(tǒng)時(shí)還采取了以下兩種抗干擾措施。

（1）在輸入端并接續(xù)流二極管使機(jī)械手的plc控制系統(tǒng)中只有直流輸入信號(hào)，因此采取并接續(xù)流二極管（只在信號(hào)輸入端有感性負(fù)載時(shí)采用）的方法，可以防止信號(hào)變化時(shí)感應(yīng)電勢損壞輸入單元。

（2）防感應(yīng)電壓的措施，盡量避免機(jī)械手plc控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)線與電源線平行走線，輸入端并接浪涌吸收電路，在長距離配線和大電流的場合，感應(yīng)電壓采用繼電器轉(zhuǎn)換。

4.2 plc控制系統(tǒng)的接地方法

（1）由于plc機(jī)柜和操作臺(tái)、配電柜等用電設(shè)備的金屬外殼及控制設(shè)備正常不帶電的金屬部分，由于各種原因（如腐蝕、絕緣破損等）而有可能帶危險(xiǎn)電壓，所以應(yīng)該進(jìn)行保護(hù)接地，低于36v供電的設(shè)備，無特殊要求可不做接地保護(hù)。

（2）plc控制系統(tǒng)中的基準(zhǔn)電位是各回路工作的參考電位，基準(zhǔn)電位的連接線稱為系統(tǒng)地，通常是控制回路直流電源的零伏導(dǎo)線，系統(tǒng)接地的方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地方式。

（3）為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)置的屏蔽接地端子應(yīng)做屏蔽接地。其中信號(hào)回路接地和屏蔽接地又通稱為工作接地。

一般以上接地方法的控制原則是：保護(hù)地和工作地不能混用，這是由于在每一段電源保護(hù)地線的兩點(diǎn)間會(huì)有數(shù)毫伏，甚至幾伏的電位差，這對低電平信號(hào)電路來說是一個(gè)非常嚴(yán)重的干擾。屏蔽地，當(dāng)信號(hào)電路是單點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)單點(diǎn)接地，如果電纜的屏蔽層接地點(diǎn)有一個(gè)以上時(shí)，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。

本系統(tǒng)采用的接地電阻都需要在規(guī)定的范圍內(nèi)，對于plc組成的控制系統(tǒng)一般應(yīng)小于4ω，而且要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，事前都需要進(jìn)行防腐處理。plc組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置接地系統(tǒng)，也可以利用現(xiàn)場條件進(jìn)行“等電位聯(lián)結(jié)”進(jìn)行接地設(shè)計(jì)。

5 上位機(jī)與plc數(shù)據(jù)通信

plc上位機(jī)的通信是plc應(yīng)用于控制的重要環(huán)節(jié)。s7－200通過選擇合適的通信口工作方式與上位機(jī)通信，s7－200系列plc的通信口有3種工作方式：ppi（point－to－piontinterface）方式、freeport（自由口）方式、profi－bus－dp方式。

由于自由口方式具有與外圍設(shè)備通信方便、自由，易于微機(jī)控制軟件開發(fā)等特點(diǎn)，因此本系統(tǒng)使用自由口方式實(shí)現(xiàn)plc與上位機(jī)通信，但在自由口通信方式下，上位機(jī)與plc的最大通信能力為187.5kb/s，無法滿足上位機(jī)與plc高速通信的考慮需要，使用一系列siemens，simatic，microcomputing，active x控件，用于對plc的數(shù)據(jù)操作，并選用適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與plc的高速通信，取得了很好的控制效果。

6 結(jié)語

可編程控制器plc以其豐富的i/o接口模塊，高可靠性、在機(jī)械手控制的設(shè)計(jì)中起到了十分重要的作用，但在plc控制的過程中，還有許多問題需要解決，本文就設(shè)計(jì)過程中的幾項(xiàng)關(guān)鍵問題提出了自己的一些看法，經(jīng)實(shí)踐證明，可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對plc讀、寫，事件響應(yīng)等通信時(shí)間可進(jìn)行精確控制，取得了良好的效果。