1 引言
機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工作或操縱工具的自動(dòng)化裝置。而可編程邏輯控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、編程方便、易于使用和修改、易于擴(kuò)展和維護(hù)、環(huán)境要求低、體積小巧、安裝測(cè)試方便等性能在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，我們采用了日本OMRON公司生產(chǎn)的位置控制單元模塊NC111，用來(lái)產(chǎn)生脈沖和方向電平，來(lái)控制機(jī)械手的運(yùn)行。
2 四自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)
四自由度機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型，可實(shí)現(xiàn)X軸伸縮、Z軸升降、底盤、腕回轉(zhuǎn)功能。驅(qū)動(dòng)全部采用步進(jìn)電機(jī)控制，夾爪采用氣動(dòng)方式控制。機(jī)械手主要完成從3臺(tái)輥道輸送帶到立體倉(cāng)庫(kù)出貨臺(tái)之間的貨物傳遞。
(1) 四自由度機(jī)械手主要性能指標(biāo)
X軸:最大移動(dòng)距離420mm
Z軸:最大移動(dòng)距離420mm
底盤回轉(zhuǎn):最小控制轉(zhuǎn)角0.09°，最大回轉(zhuǎn)角小于等于300°
圖1 四自由度機(jī)械手限位開關(guān)示意圖
圖1為四自由度機(jī)械手的限位開關(guān)示意圖，其中SQ1~SQ7為限位開關(guān)。其作用是保護(hù)運(yùn)行時(shí)不會(huì)因?yàn)檫^(guò)限而造成機(jī)械上的損壞。
(2) 運(yùn)動(dòng)流程根據(jù)實(shí)際需要而定，如上升嘧笮朽逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)嘧ナ腫ソ羿下降嚶倚朽順時(shí)針旋轉(zhuǎn)嘧ナ址潘舌返回，還可以有其他工作流程。
3 機(jī)械手的工作原理
機(jī)械手的伸縮、升降、轉(zhuǎn)盤、抓手的運(yùn)動(dòng)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制的，型號(hào)為SH-2H057。其步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖和電平信號(hào)是由PLC上的NC111模塊來(lái)提供的。其電路原理圖如圖2所示。
圖2 機(jī)械手工作的電路原理圖
(1) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
本驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)共有3路，分別是:步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平信號(hào)DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE。它們?cè)隍?qū)動(dòng)器內(nèi)部分別通過(guò)270Ω的限流電阻接入負(fù)輸入端，且電路形式完全相同。OPTO端為3路信號(hào)的公共正端(3路光耦的正端輸入)，3路輸入信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部接成共陽(yáng)方式，所以O(shè)PTO端須接外部系統(tǒng)的VCC，如果VCC是+5V則可以直接接入;如果VCC不是+5V則需外部另加限流電阻R，保證給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光耦提供8-15mA的驅(qū)動(dòng)電流。
a) 步進(jìn)脈沖信號(hào)CP
步進(jìn)脈沖信號(hào)CP用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度，也就是說(shuō),驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)CP脈沖就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，改變CP脈沖的頻率,能改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制CP脈沖的個(gè)數(shù)，則可以使步進(jìn)電機(jī)精確定位。這樣就可以很方便的達(dá)到步進(jìn)電機(jī)調(diào)速和定位的目的，本驅(qū)動(dòng)器的CP信號(hào)為低電平有效，要求CP信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流為8-15mA，對(duì)CP的脈沖寬度也有一定的要求，一般不小于5μS，如圖3所示。
b) 方向信號(hào)DIR
方向電平信號(hào)DIR用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。此信號(hào)為高電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);為低電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)要轉(zhuǎn)向，必須在電機(jī)停止以后進(jìn)行，如圖4所示。
圖3 CP的脈沖寬度以及高低電平方式
圖4 方向信號(hào)DIR
c) 脫機(jī)電平信號(hào)FREE
當(dāng)驅(qū)動(dòng)器上電以后，步進(jìn)電機(jī)處于鎖定狀態(tài)(未施加CP脈沖時(shí))或運(yùn)行狀態(tài)(施加CP脈沖時(shí))，可以用FREE信號(hào),手動(dòng)調(diào)整電機(jī)而不關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。
(2) NC111模塊的工作原理
C200-NC111是C200PC用于位置控制的智能單元。它可以為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖，以控制運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度。
a) 性能指標(biāo)
l 每個(gè)單元可以控制一個(gè)軸;
l 輸出控制脈沖:-8388607~+8388606;
l 脈沖速率:1~99990個(gè)/s;
l 脈沖速率得變化:控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)階梯式自動(dòng)加減速,加速度為每毫秒1~999每秒脈沖;
l 原點(diǎn)搜索:可監(jiān)測(cè)原點(diǎn)或原點(diǎn)信號(hào);也可進(jìn)行原點(diǎn)補(bǔ)償0~9999個(gè)脈沖;也可高速或接近現(xiàn)有速度搜索原點(diǎn);
l 間隙補(bǔ)償:0~9999個(gè)脈沖;
l 手動(dòng)操作:可高速點(diǎn)動(dòng)，低速點(diǎn)動(dòng)和微動(dòng);
l 多點(diǎn)定位:可一次定位20點(diǎn)，以15種速度變化;
b) 系統(tǒng)配置
圖5為NC111的結(jié)構(gòu)框圖。
位控單元有自己的微處理器和存儲(chǔ)器，還有脈沖發(fā)生器和I/O接口。位控單元既可以被PC主CPU單元控制，也可以直接由控制臺(tái)的外部輸入信號(hào)控制。一方面它通過(guò)總路線及接口電路與C200HPC相連，與主CPU頻繁交換信息;另一方面又通過(guò)I/O連接器接收外部開關(guān)量輸入及輸出脈沖。位控單元根據(jù)PC發(fā)出的控制指令和接收到的
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圖5 NC111的結(jié)構(gòu)框圖
外部輸入信號(hào)，由自身的CPU執(zhí)行具體的定位算法，并依執(zhí)行的結(jié)果控制脈沖發(fā)生器輸出脈沖數(shù)及頻率。位控單元減輕了主CPU的負(fù)擔(dān)，它最終還是作為C200HPC的一個(gè)智能接口單元，占用相應(yīng)的I/O地址。NC111插入C200HPC的底板槽中，通過(guò)一條40芯插頭與外部I/O連接。NC111接收外部的操作按鈕、限位開關(guān)的信號(hào)，輸出脈沖信號(hào)，用戶通過(guò)PC向NC111設(shè)置參數(shù)及發(fā)出命令，NC111即可自動(dòng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)信號(hào)和PC的命令來(lái)調(diào)整控制輸出，達(dá)到準(zhǔn)確定位。
4 機(jī)械手流程圖及NC111模塊的數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置
4.1 啟動(dòng)后機(jī)械手的流程
(1) 首先進(jìn)行機(jī)械手的伸縮、升降、轉(zhuǎn)盤和抓手的重啟動(dòng)和原點(diǎn)搜索;
(2) 機(jī)械手的伸縮臂向前，同時(shí)轉(zhuǎn)盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，一直分別運(yùn)行到NC111模塊positioning action #0中設(shè)置的輸出脈沖個(gè)數(shù)時(shí)停止;
(3) 機(jī)械手下降，一直到下降到NC111模塊positioning action #0中設(shè)置的輸出脈沖個(gè)數(shù)時(shí)停止;
(4) 抓手電磁閘啟動(dòng)，抓手抓緊，抓起貨物A;
(5) 機(jī)械手的升降進(jìn)行原點(diǎn)搜索;
(6) 機(jī)械手的伸縮臂向后，同時(shí)轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，一直分別運(yùn)行到NC111模塊positioning action #1中設(shè)置的輸出脈沖個(gè)數(shù)時(shí)停止;
(7) 機(jī)械手下降，一直到下降到NC111模塊positioning action #1中設(shè)置的輸出脈沖個(gè)數(shù)時(shí)停止;
(8) 抓手電磁閘再次啟動(dòng)，抓手放松，貨物A放下;
(9) 再次對(duì)機(jī)械手的升降進(jìn)行原點(diǎn)搜索;
(10) 機(jī)械手的伸縮臂、轉(zhuǎn)盤進(jìn)行原點(diǎn)搜索，全部復(fù)位。
圖6是完成用機(jī)械手把貨物從輥道上運(yùn)到堆垛機(jī)貨臺(tái)上的一個(gè)流程。其它流程與其大體相似，只是在脈沖個(gè)數(shù)上的設(shè)置有所不同。本程序已經(jīng)投入使用，一切工作正常。
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圖6 機(jī)械手流程圖
4.2 NC111模塊在DM區(qū)的數(shù)據(jù)設(shè)置
NC111模塊在DM區(qū)的數(shù)據(jù)設(shè)置如圖7所示。
圖7 NC111模塊在DM區(qū)的數(shù)據(jù)設(shè)置
5 結(jié)束語(yǔ)
本文以武漢大學(xué)物流控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置為例，介紹了日本ＯＭＲＯＮ公司生產(chǎn)的NC111位置控制單元模塊在機(jī)械手步進(jìn)控制中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。說(shuō)明了機(jī)械手的動(dòng)作原理、設(shè)計(jì)要求、程序設(shè)計(jì)方法。本文介紹的程序已在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了成功的應(yīng)用。