发布时间 : 星期四 文章智能码垛机械手控制系统设计更新完毕开始阅读2cb8ee3ea58da0116d17497e
齐齐哈尔大学毕业设计（论文）
在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。是自动控制系统中的重要元件之一。交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。本设计选用CJX1系列交流接触器。其主要用于交流50Hz(或60Hz)、额定工作电压至1000V，在AC-3使用类别下额定工作电压为380V时额定工作电流至475A的电路中，供远距离接通和分断电路或频繁起动和控制交流电动机，并可与适当的热过载继电器组成电磁起动器，以保护可能发生过载的电路。继电器型号为与PLC配套使用的CPU 226XM AC/DC继电器。
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第3章 系统的软件设计及智能算法的研究
3.1 PLC的选型与端口设计
PLC具有通用性强，使用方便，适应面广可靠性高，抗干扰能力强、编程简单等特点。随着PLC的发展，出现了更多的功能强大的指令，这些指令本身在单操作的意义上提供了更强的计算力，特别是运动控制指令和在网络通讯方面功能更加强大，命令支持各种运动功能，实现多轴协调控制、高度的集成操作及位置环的闭环控制，能够满足高性能工业机械手位置和运动精度要求。
本章对于PLC的选型和I/O端口的分配进行了设计，充分体现了CPU226 PLC的优越性。而且应用伺服电机自带的编码器时刻反馈位置等信息给驱动器和PLC，通过 PID 控制算法，使控制更加准确、稳定、快速。为了克服系统的非线性特性，智能算法也进行了优化，加入了模糊智能算法。利用PLC编程逻辑控制器中的PID控制指令模块，实现了对系统采集数据的比较，使系统对控制响应快速准确。
3.1.1 PLC型号的选择
一般情况下，PLC是按照集中输入与输出，周期性循环扫描的方式进行工作的，其中心内容就是“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段。为了使码垛机械手实现自动化控制，使机械手臂能够按照轨迹规划的路线进行运动，本设计采用PLC来实现码垛机械手的自动控制。
PLC在对机械手的关节控制的时候，一般情况下是采用编程的方式产生脉冲输出来实现控制，这种方法产生的最大脉冲频率不能超过600Hz。经分析研究，该设计需要17个输入点，15个输出点，为完成控制系统所需工艺流程，需要控制器能有较强的浮点运算能力和掉电保持的能力，根据需要控制的开关、设备，并考虑10%-15%的裕量，本系统采用S7-200系列CPU 226 可编程控制器，此PLC有24个输入，16个输出，6个30kHz时钟速率的高速计数器，4个20kHz时钟速率的脉冲输出。CPU最长处理时间0.22μs，256个计数器，计数范围为0-32767，并具有广泛的扩展功能，和丰富的通信网络功能。可以通过脉冲输入输出插卡，看使用高速计数器和脉冲输出功率，完全满足控制要求[9]。
3.1.2 PLC输入输出端口的设置
根据控制原理和智能码垛机械手的工作要求和I/O分配如下表3-1：
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表3-1 I/O端口分配表
名称 手动操作 连续操作 单周期操作 单步操作 回原点操作 启动 停止 手指加紧 手指放松 代号 SA1 SA2 SA3 SA4 SA5 SB1 SB2 SQ1 SQ2 输入号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 启动指示 停止指示 警示灯 手指继电器 大臂继电器 小臂继电器 底座继电器 底座驱动器 小臂驱动器 大臂驱动器 名称 手指驱动器 代号 YA1 脉冲 YA2 方向 YA3 脉冲 YA4 方向 YA5 脉冲 YA6 方向 YA7 脉冲 YA8 方向 HL1 HL2 HL3 YA10 YA11 YA12 YA13 输出号 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q.10 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 底座电机反馈 SQ3 底座电机运动 SQ4 大臂电机反馈 SQ5 大臂电机运动 SQ6 小臂电机反馈 SQ7 小臂电机运动 SQ8 光电传感器 触力传感器 SQ9 SQ10
图3-1 PLC I/O 端口分配
3.2 机械手特殊环节的软件设计
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动伺服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
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脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
当驱动器选择位置控制时，来自外部的位置指令脉冲输入与来自反馈脉冲通过位置比较环节的计算，到位置跟随误差信号，跟随误差信号经过位置调节器的处理，生成速度给定指令，并通过速度调节器控制电机速度。位置控制方式的输入方式也有三种，分别是：符号+序列控制，CW+CCW控制，90°相位差控制。每种方式都有正逻辑与负逻辑之分，一般出厂设定值都为正逻辑，如表 3-2所示。
（1）符号+序列控制方式：符号+序列控制方式是将脉冲序列信号输入给/PLUS 端口，将方向信号输入给/SIGN 端口，其中高电平为正转，低电平为反转。由于此种控制方式简单易用，因此在实际控制中应用较为普遍；
（2）CW+CCW：双脉冲序列控制，CW 为正转脉冲信号，CCW 为反转脉冲信号，对于正逻辑来说，当/PLUS 输入低电平信号，/SIGN 端口输入脉冲信号时为正转，两端口信号对换则为反转。通常该种控制方式的抗干扰能力较强，但是接线较复杂，因此并不如第一种方式普遍；
（3）90°相位差：也叫正交二相脉冲序列，A相相位超前B相90°时表示正转，B 相超前A相90°时表示反转。在使用正交二相脉冲序列方式时，脉冲输入倍增数有三个倍率可供选择。
表3-2 位置控制方式说明
指令状态 符号+脉冲序列 （正逻辑） 90度相位差 （正逻辑） ×1 ×2 ×3 PULS：SIGN：输入倍增 —— 正转指令 PULS：SIGN： PULS：SIGN：反转指令 PULS：SIGN： （1）PLS脉冲指令格式：
（2）PID指令：
PLS EN ENO Q0X PID EN ENO TBL LOOP 28