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基于PLC的机械手控制设计

一四轴联动简易机械手的结构及动作过程

机械手结构如下图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、

转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。

其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360°的

气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠

组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360°

的转盘机构能带动机械手

及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接

近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手

的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。

其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机

控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺

服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械

手夹住货物。

步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；

转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再

次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系

统回位准备下一次动作。

二控制器件选型

为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如

下：

1.步进电机及其驱动器

机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的某公司的42BYG250C型两

相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴

电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上

升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用

10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流

可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准

单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环

境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证

了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC

之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力

矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3

A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组

合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机

使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、

32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的

第1、2、3三位可组合出不同的状态。

2.伺服电机及其驱动器

机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，

其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数

2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，

轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提

高2倍，达到500Hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机

产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，

可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的

光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益

调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、R

S-232C通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱

动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。

3.直流电机

可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北

京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低

速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北

京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有

起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部

模拟量调速、制动快速停机等特点。

4.旋转编码器

在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2

增量型旋转编码器，

5.PLC的选型

根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。C

PM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中