0 引言

　　機械手是隨著工業機械化、自動化而發展起來的一種裝置，具有結構簡單、運動迅速、可靠性高、節能環保的特點．目前已經在各行業得到了廣泛的應用。機械手的應用可以大幅度減少人工重復操作，降低生產過程中的危險系數，極大地提高生產效率與工作精度。此外，機械手還能在無人區或對人有害的環境中正常工作，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展基礎上開發出來的，現已廣泛應用于工業控制的各個領域。它以微處理器為核心，采用編寫程序進行邏輯控制、定時、計數和算術運算等，并通過數字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設備或生產過程。本文介紹基于德國西門子S7—200PLC開發的機械手定位控制系統。

1 系統結構和功能介紹

　　該機械手控制系統的硬件包括S7—200PLC、東元TSB伺服電機、伺服電機驅動器、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。系統中采用V4．0 STEP 7MicroWlN SP7對PLC進行編程。

　　1.1 系統控制的目的及內容

　　系統通過S7—200PLC控制機械手實現對物品多個自由度方向(水平、垂直、左右、旋轉)的抓取或放置，通過PLC編程實現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．

　　系統控制的內容包括：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。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，則無法完成后續的動作。

　　1.2 系統電路圖

　　系統電路圖如圖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為旋轉氣缸信號。

　　1.3 系統中各裝置的工作狀態　　(1)PLC程序模塊通過RS-485協議下載到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出指令并進行控制。

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

　　(3)空氣壓縮機為整個系統的氣動部分提供動力，在系統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、夾緊動作的控制。繼電器把從PLC發出的低電平信號轉換成能驅動電磁閥的高電平信號；電磁閥則用來控制空氣壓縮機產生的氣流，通過氣缸來控制機械手的開合、旋轉、夾緊。

　　(5)限位開關用來輔助控制電機的轉動，從而限制機械手移動的距離。當限位開關被觸動時會發出信號給伺服驅動器的正轉(或反轉)禁止端口，讓電機立即停止轉動。限位開關在整個系統中起到保證系統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品，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動。同時將伺服電機的精確轉速控制、精確轉數控制、精確扭矩控制轉變成精確速度控制、精確位置控制、精確推力控制．實現高精度直線運動。該系統中包含橫向和縱向兩個伺服電缸。另外，該系統中有3個氣缸分別控制機械手的開合、旋轉、夾緊。

2 機械手定位控制方法

　　現有的控制方法是先由PLC發出所需個數的PTO脈沖給電機驅動器，然后由驅動器控制電機按給定的脈沖個數運轉。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(內部脈波命令)、速度模式、轉矩模式等。針對該系統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。實現對現場運行情況的反饋，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動器進行分周比處理反饋到PLC，這樣便能知道現場的實時運行狀態，從而實現更好的控制。其信號反饋圖見圖2。

　　分周處理表示將馬達的編碼器旋轉一周所出現的脈波信號個數轉換成Cn005預設的脈波信號個數，其預設值一般為1，適用于任何控制模式。

3 系統軟件設計

　　考慮到系統的平穩性和易操作性，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增加PTO脈沖的頻率，從而實現速度的平穩增加。勻速段則以系統給定的速度運行。考慮到機械誤差等因素，在減速段的時候采用使機械手漸近日標點的方法。而不是傳統的減速運行到速度為零。系統程序流程圖如圖3所示。其中，Pr為系統給定脈沖個數與驅動器反饋脈沖個數之差，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，用于判斷PLC是否向驅動器發出停止信號。

　　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，經實驗證明一般取ε為20～30較為合適。

4 結論

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