第二章 机械手自动控制系统设计
2.1系统描述
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置。而可编程逻辑控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改、易于扩展和维护、环境要求低、体积小巧、安装测试方便等性能在工业控制中有着广泛的应用。根据我们所设计的机械手的驱动部件为步进电机驱动器的特点，我们采用了日本三菱公司生产的FX2N系列控制基本单元模块，用来产生控制脉冲和电平，来控制机械手的运行。
2 四自由度机械手的结构及运动
四自由度机械手为圆柱坐标型，可实现X轴伸缩、Z轴升降、底盘、腕回转功能。驱动全部采用步进电机控制，夹爪采用气动方式控制。机械手主要完成从存货区到指定位置之间的货物分拣传递。 (1) 四自由度机械手主要性能指标 X轴:最大移动距离420mm Z轴:最大移动距离420mm
底盘回转:最小控制转角0.09°，最大回转角小于等于300° 腕回转:最小控制角0.9°，最大回转角小于等于300°
3 机械手的工作原理
机械手的伸缩、升降、转盘、抓手的运动是由步进电机来完成的，。其步进电机驱动器的输入脉冲和电平信号是由PLC基本模块来提供的。其电路原理图如图1所示。
图1 机械手工作的电路原理图
(1) 步进电机驱动器
本驱动器的输入信号共有3路，分别是:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过270Ω的限流电阻接入负输入端，且电路形式完全相同。OPTO端为3路信号的公共正端(3路光耦的正端输入)，3路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可以直接接入;如果VCC不是+5V则需外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流。
a) 步进脉冲信号CP
步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说,驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角，改变CP脉冲的频率,能改变步进电机的转速，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的，本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于5μ。 b) 方向信号DIR
方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此信号为高电平时，电机正转;为低电平时，电机反转。电机要转向，必须在电机停止以后进行，如图2所示。
图2 CP的脉冲宽度以及高低电平方式
图2 方向信号DIR
(2) FX模块的工作原理
FX是用于位置控制的智能单元。它可以为步进电机驱动器或伺服电机驱动器提供控制脉冲，以控制运动部件的位置和速度。 a) 性能指标
l 每个单元可以控制一个轴;
l 输出控制脉冲:-8388607~+8388606; l 脉冲速率:1~99990个/s;
l 脉冲速率的变化:控制系统可实现阶梯式自动加减速,加速度为每毫秒1~999每秒脉冲;
l 原点搜索:可监测原点或原点信号;也可进行原点补偿0~9999个脉冲;也可高速或接近现有速度搜索原点; l 间隙补偿:0~9999个脉冲;
l 手动操作:可高速点动，低速点动和微动; l 多点定位:可一次定位20点，以15种速度变化; b) 系统配置
图5为FX的结构框图。
位控单元有自己的微处理器和存储器，还有脉冲发生器和I/O接口。位控单元既可以被PC主CPU单元控制，也可以直接由控制台的外部输入信号控制。一方面它通过总路线及接口电路与PC相连，与主CPU频繁交换信息;另一方面又通过I/O连接器接收外部开关量输入及输出脉冲。位控单元根据PC发出的控制指令和接收到的
4 机械手流程图及FX模块的数据区设置
4.1 启动后机械手的流程
(1) 首先进行机械手的伸缩、升降、转盘和抓手的重启动和原点搜索; (2) 机械手的伸缩臂向前，同时转盘顺时针旋转，一直分别运行到FX模块#0中设置的输出脉冲个数时停止;
(3) 机械手下降，一直到下降到FX模块#0中设置的输出脉冲个数时停止; (4) 抓手电磁闸启动，抓手抓紧，抓起货物A; (5) 机械手的升降进行原点搜索;
(6) 机械手的伸缩臂向后，同时转盘逆时针旋转，一直分别运行到FX模块#1中设置的输出脉冲个数时停止;
(7) 机械手下降，一直到下降到FX模块#1中设置的输出脉冲个数时停止; (8) 抓手电磁闸再次启动，抓手放松，货物A放下; (9) 再次对机械手的升降进行原点搜索;
(10) 机械手的伸缩臂、转盘进行原点搜索，全部复位。
2.2机械手分选装置及工作方式
机械手选选刚制大小球（见图3-1），控制面板如图3-3所示，图3-1是PLC的外部
接线图。输出继电器Y4为ON时刚球被电磁铁吸住，为OFF时释放。
PLC K1键 K2键 K3键 K键4 K键5 X1左限 X2大右限 X3小右限 X4上限 X5下限 X10手动 选 K0
X11回原 X12单步 X13单周 X14多周 自 动 P0代 P 1键 P 2键 P3键 PLC X15回启 X16启 X17预停 X20手吸 X21释 手 X22手升 动 X23降 按 X24手右 钮 X25左 PLC L N COMCOMY0 Y1 Y2 Y3 Y4 火零 (+)24V (+)24V KMY升 KMΔ降 KM右行 KM左行 YA吸持
图3-1
工作方式的选择开关的5个位置分别位于5种工作方式之中，操作面板左下部的6个按钮是手动按钮，为了保证在紧急的情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断PLC电源，设置交流接触器KM见图3-1，在PLC开始运行时按下负载电源按钮，是KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源，对于电磁铁吸盘这一类执行机构，在“紧急停车”时如果断开它的电源，它吸住的铁磁物体会掉下来，在某些情况下可能造成事故，是不允许这样处理的。
右行和左行是异步电动机控制的，在控制电动机的交流器KM1和KM2的线圈回路中，使用了由它们的常闭触点组成的硬件互锁电路。
系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式，机械手在最上面、最左边且电磁铁线圈断电时，称为系统处于原点状态（或称为初始状态）。在公用程序中，左线位开关X1、上限位X4的常开触点和表示电磁线圈断电的Y4的常闭点的串联电路接通时，原点条件辅助继电器M5变为ON。
如果选择的是单周期工作方式，按下启动按钮X16后，从初始步MO，机械手按顺序功能图的规定完成一个 周期的工作后，返回并停留在初始步。如果选择连续工作方式，在初始状态下按下启动按钮后机械手反复连续工作，按下停止按钮并不马上停止工作，完成