基于PLC与步进电动机的机械手控制设计.docx

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基于PLC与步进电动机的机械手控制设计

基于PLC对步进电动机机械手的控制课程

[摘要]：

介绍一种基于PLC和步进电机机械手控制系统的设计方案。

本论文中系统介绍了可编程控制器对混合式步进电动机的驱动及控制原理。

本设计使用步进电机控制机械手横轴，纵轴的进给，通过限位开关等传感器等实现机械手的精确运动。

该机械手可在空间抓放物体，随意位置夹取、停止，动作灵活多样，并可根据运动流程的要求随时更改相关参数，代替人工在高温和危险的作业区进行作业，具有较高的应用价值。

此处使用MCGS组态软件设计模拟物料搬运机械手，程序使用GXDeveloper的SFC程序类型设计。

[关键字]：

PLC，步进电机，机械手

一、课题设计的软硬件概述及应用：

（一）GXDeveloper编程软件概述及应用

这里介绍的GX Developer8.86Q（SW7D5C-GXW）版本，它适用于Q系列、QnA系列及FX系列的所有PLC。

GX编程软件可以编写梯形图程序和状态转移图程序（全系列），支持在线和离线编程功能，并具有软元件注释、声明、注解及程序监视、测试、故障诊断、程序检查等功能。

本课题使用FXCPU系列，FX2NC类型，程序类型为SFC的方式进行编写课题程序。

课题要求：

独立编写控制步进电机机械手运动的程序。

（二）MCGS组态软件简介概述及应用

用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。

本课题使用MCGS组态软件设计模拟步进电机搬运机械手的动态显示。

课题要求：

熟悉使用MCGS组态软件，并绘制步进电机机械手的模拟图。

（三）可编程程序控制器概述及应用（plc）：

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

本课题设计使用的是三菱FX2N-48MT晶体管输出型PLC。

（四）步进电机驱动器概述及应用

步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以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，从而达到调速和定位的目的。

本课题主要使用两个步进电机驱动器SH-20403型模块控制两个步进电机。

课题要求：

认识和了解步进电机驱动器的的原理及使用。

二、基于PLC对步进电机机械手的控制

（一）步进电机机械手的系统结构与控制要求方式：

本课题使用的是三自由度机械手为圆柱坐标型，可以实现三个自由度方向上的运动功能。

不过此次不用底座旋转自由度（图1为步进电机机械手结构示意图），只用实现由步进电机驱动的机械手臂的左右运动（水平方向）的控制和上下运动（垂直方向）的控制。

控制要求：

机械手可以根据设定的程序完成手动，自动的功能将工件从在机械手的限位围的任意位置A处搬运到B处及回原位的功能。

X1,X2,X3,X4分别为下、上、右、左限位开关。

机械手在最上面x2、最左边x4，称系统处于原点状态。

M50为手动控制按钮，按下该按钮后，可以进行按键开关M60-M67对应的手动操作。

M52-M54分别为自动方式中单步、单周期、连续工作方式按钮，按下其中的某一个取反按钮，再按1松0的起动按钮M50，该工作方式的动作就会自动执行。

M51和M55位原位条件，当按下取反按钮M51，再按1松0按钮M55，机械手将自动回到原点状态。

垂直和水平方向受两个步进电机控制，Y0和Y1为脉冲信号，Y2和Y3为控制方向。

图1步进电机机械手结构示意图

（二）步进电机机械手外部硬件设计

图2为PLC控制单个步进电机的外部硬件电路图（图中以升降运动步进电机为例）。

系统选用三菱FX2N-48MT晶体管输出型PLC，步进电机驱动器选用SH-20403型模块。

PLC的Y0端和Y1端通过驱动模块分别供给左右步进电机和升降步进电机脉冲信号，Y2端和Y3分别控制其转动方向，而脱机信号Y4可以使步进电机处于锁定状态（本课题可以不接）。

图2PLC控制步进电机的外部硬件电路图

图3为机械手的外部接线图所示。

图3机械手的外部接线图

图4为控制功能图，PLC中的主要程序是结合控制能图以及I/O分配进行编写，在本次的课题实验中，只要现水平方向和垂直方向上的位移运动，地座旋转的要求暂不需要。

图4控制功能图

（三）步进电机机械手MCGS模拟控制系统设计

1.设计思路分析

图4步进电机机械手模拟系统控制按钮图，步进电机机械手MCGS模拟系统设置了手动工作方式和自动工作方式。

自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式。

在选择单步、单周期和连续工作方式前，系统应当处于原点状态。

其中自动方式是由参数设置实现定位控制。

机械手手臂的运动速度由输入步进电机的脉冲频率控制，机械手下降及左行的距离由脉冲数控制，脉冲频率和脉冲数可以根据工业现场的实际情况在梯形图程序中设定，可根据运动流程的要求随时更改相关参数具有可重复操作性。

2.通用串口设备属性编辑窗口

3.实时数据库

4.设备属性设置：

-通道连接

5.实时监控界面的组态图

（四）基于PLC步进电机机械手的控制SFC梯形图

PLC的程序编程设计是根据步进电机顺序功能图的控制要求，以及结合I/O分配而进行的编写程序，程序主要是利用三菱FX-232的SFC模块进行编写，主要模块分为四大类：

公共部分、手动部分、原位部分以及自动部分。

是个部分组成的一个的操作系统程序，程序的运行，主要是MCGS实时监控界面上的控制按钮的控制开停，也可以从GX编程软件监控界面，得知相应变量的变化。

a）公共部分

b）手动部分

c）原位部分

d）自动部分

三、遇到的问题及解决办法

在开始设计的时候，遇到的主要问题对程序中的PLSY和M8029指令的认识不够深刻，不能很好的正确使用，在多次调试程序中一直找不到错误，后来经过在网上查找多方资料，和询问老师同学，得到了有效的解决。

在其他问题上都能够与同学的讨论合作得出解决办法。

最终调试成功该步进电机机械手的控制，达到课题的要求。

通过本次设计，可以增进对步进电机机械手的认识，同时熟悉并掌握部分PLC技术，对提高自身动手，独立思考能力有很大帮助。

四、课题总结

经调试，程序中将频率设定为600Hz，步进电机运转无抖动和失步现象发生，机械手系统处于良好运行状态。

步进电机机械手系统实现的只是两个自由度方向上的运动，根据工实际需要，可以对作其进一步的改进，加上底座直流电机的旋转，加上手部的气动夹取装置和在夹紧装置肘部添加腕回转控制装置，能使之成为多自由度机械手控制系统。

条件允许的情况下，也可以采用触摸屏代替MCGS组态环境对机械手系统进行控制，这样占用空间小，人机交互界面直观，操作更方便。