基于S7－200的多關節(jié)機械手的PLC控制

1 引言

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機械手的出現(xiàn)大大減輕了工人的勞動強度，提高了勞動生產率，但傳統(tǒng)的繼電器控制的半自動化裝置因設計復雜、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控制的機械手控制系統(tǒng)。

s7－200 plc （program logic controler）是德國西門子公司生產的小型可編程控制器，具有良好的可擴展性、價格低廉、指令功能強大、十分適合機械手控制系統(tǒng)中的應用。但一般工業(yè)機器人執(zhí)行機械手機構多為形狀簡單的夾鉗式、托持式、吸附式等結構，其結構和抓握目標物的原理決定了有限的抓握功能，隨著機器人應用范圍的日益擴大和向智能化，擬人化方向的發(fā)展，其手部也有多指多關節(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格比高的多關節(jié)機械手，為此我們設計出一套新的基于s7－200 plc的多關節(jié)機械手控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性、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. 機械設計

2.1 機械結構

多指多關節(jié)的機械結構是最理想的機器人手爪，其每個手指的各個關節(jié)都各有一臺獨立的電機驅動，并配有傳感和控制系統(tǒng)，使手爪能完全模擬人手動作，當抓取的目標物各邊形狀與手爪中心不對稱時，每個手指各關節(jié)的彎曲程度可以不同，手爪對被抓物體的形狀具有適應性。先接觸物體的手指其指關節(jié)產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，直到每一個手指都接觸物體，其結構如圖1所示。

2.2 工作原理

直流電機1經諧波減速器2減速后帶動絲杠3旋轉，使螺母4在導向桿12中上下移動，螺母4帶動五根連桿5使四個手指的第一指節(jié)7轉動，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)旋轉時能同時繞第一、第二指節(jié)間的關節(jié)軸轉動，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)同時隨第一、第二指節(jié)的轉動而繞第二、第三指節(jié)間的關節(jié)軸轉動，從而形成三個指節(jié)聯(lián)動抓握或放開目標物體，其抓握原理如圖2所示。

當抓取的目標物各邊形狀與手爪中心不對稱時，每個手指各關節(jié)的彎曲程度可以不同，手爪對被抓物體的形狀具有適應性，先接觸物體的手指其指關節(jié)產生較大的抗力而不能彎曲，當螺母帶動連桿5繼續(xù)上移時，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，直到每一個手指都接觸物體，如圖2（b）所示，因而同一電機驅動的五個手指能像人手一樣適應目標物體的形狀進行可靠抓取。

3 plc控制系統(tǒng)設計

3.1 總體設計

plc控制系統(tǒng)設計時不能過分依靠plc本體，使用外部繼電器能夠完成控制要求的，應使用外部繼電器，系統(tǒng)電機采用自耦降壓啟動，由于設計時取消外部時間繼電器，采用啟動信號直接輸入plc，經plc內部計時器輸出運行信號，啟動時間難于精確確定，而且負荷變化將引起啟動時間變化，從而當用戶想要調整啟動時間時就比較困難，需要具備plc編程知識及相關編程工具，而一般的用戶或電工并不具備這樣的條件，因此采用plc內部計時器作為啟動時間控制就頗費周折，也不利于現(xiàn)場控制及日后維護。

ptc的自動控制程序的編寫方法很多，根據(jù)多關節(jié)機械手的特點，要求每一個動作嚴格按順序執(zhí)行，因此采用步進指令編寫，以保證機械手的運行有條不紊。

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

電機工作原理主要是控制電機的選擇，其電氣工作原理如圖3所示，將開關s撥到集中控制時，k2吸合給plc一個信號，讓plc識別該電機需要運行，而沒有選擇集中控制的電機則認為暫時不運行。

3.2 延時報警系統(tǒng)

為避免因壓力不足或機械手動作不到位造成的誤動作，系統(tǒng)設置了延時報警系統(tǒng)，如圖4所示。

當某一機械手爪因故障被卡超過設定時限，延時報警系統(tǒng)將動作：設y5為控制該電機動作的繼電器，x5為對應動作的限位，若該動作超時，對應的時間繼電器t4將動作，則t4的動合觸點接通，首先接通y18，切斷電源，停止電機運行，因故障排除按鈕為動作，內部繼電器r0未導通，則y16接通，與之相連的報警蜂鳴器通電發(fā)聲報警，與此同時，r901c導通后周期性地通斷，通過已接通的t0導通y17，使與之相連的報警指示燈不斷閃爍，提醒工人排除故障，從而避免機械手爪故障加重造成抓舉動作失敗而造成嚴重后果。一旦故障排除，x14接通，內部繼電器導通，其通斷觸電打開，蜂鳴器停止報警，報警燈熄滅。

4 抗干擾設計

4.1 防輸入/輸出信號干擾的措施

防輸入信號的線間干擾，機械手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，輸入信號線與大地間的共模干擾在控制器內部回路產生大的電位差，可能引起控制器誤動作，因此，為了抗共模干擾，除控制器要良好接地外，在設計肋骨冷彎機plc控制系統(tǒng)時還采取了以下兩種抗干擾措施。

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

（2）防感應電壓的措施，盡量避免機械手plc控制系統(tǒng)的輸入信號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，感應電壓采用繼電器轉換。

4.2 plc控制系統(tǒng)的接地方法

（1）由于plc機柜和操作臺、配電柜等用電設備的金屬外殼及控制設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）而有可能帶危險電壓，所以應該進行保護接地，低于36v供電的設備，無特殊要求可不做接地保護。

（2）plc控制系統(tǒng)中的基準電位是各回路工作的參考電位，基準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）為防止靜電感應和磁場感應而設置的屏蔽接地端子應做屏蔽接地。其中信號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：保護地和工作地不能混用，這是由于在每一段電源保護地線的兩點間會有數(shù)毫伏，甚至幾伏的電位差，這對低電平信號電路來說是一個非常嚴重的干擾。屏蔽地，當信號電路是單點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應單點接地，如果電纜的屏蔽層接地點有一個以上時，將產生噪聲電流，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，對于plc組成的控制系統(tǒng)一般應小于4ω，而且要有足夠的機械強度，事前都需要進行防腐處理。plc組成的控制系統(tǒng)進行單獨設置接地系統(tǒng)，也可以利用現(xiàn)場條件進行“等電位聯(lián)結”進行接地設計。

5 上位機與plc數(shù)據(jù)通信

plc上位機的通信是plc應用于控制的重要環(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備通信方便、自由，易于微機控制軟件開發(fā)等特點，因此本系統(tǒng)使用自由口方式實現(xiàn)plc與上位機通信，但在自由口通信方式下，上位機與plc的最大通信能力為187.5kb/s，無法滿足上位機與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?shù)耐ㄐ艆f(xié)議實現(xiàn)了上位機與plc的高速通信，取得了很好的控制效果。

6 結語

可編程控制器plc以其豐富的i/o接口模塊，高可靠性、在機械手控制的設計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，本文就設計過程中的幾項關鍵問題提出了自己的一些看法，經實踐證明，可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對plc讀、寫，事件響應等通信時間可進行精確控制，取得了良好的效果。