西门子6ES7232-0HB22-0XA8技术支持
目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，以减轻劳动强度，改善作业条件。随着社会生产不断进步和人们生活节奏的不断加快，机械手在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能得到广泛的运用。可编程序控制器（PLC）是工业控制中应用广泛可靠的控制器。本项目通过对机械手的组装和 PLC系统的编程，实现多轴机械手可靠稳定的搬运工件。通过本项目的研制，研制人员提高了自主动手能力，掌握机电一体化综合设计技能，学习和掌握PLC 语言的编写，且借此可以了解学习国内外机械手的发展水平。
1 总体部分
如图 1 所示，本项目研制的机械手教学实训设备的总体结构由机械部分和电气部分组成。
图 1 PLC 多轴机械手总体结构图
1.1 机械部分
机械手的机械部分总体结构由夹持部分、传动机构和旋转机构所组成。（1）夹持部分使用机械夹手与真空吸盘相结合的结构夹持工件，可根据被夹持工件的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头和真空吸盘，以适应操作。真空吸盘一般用橡胶制造，主要作用是将工件吸合便于搬运，大限度的保护工件的外观，还具有易使用、零污染等优点；（2）传动机构由 XY轴滚珠丝杠副组成，滚珠丝杠副传递力矩，完成工件在 XY轴方向上的往复运动，其利用滚珠运动的原理可以具有较高的重复精度，实现运动的微进给，从而保证更准确的将运送工件至指定地点；（3）旋转机构Z 轴由底座和机械手所组成，旋转机构扩大了机械手的动作范围，提高了机械手在搬运过程中的灵活性。
1.2 电气部分
PLC 控制多轴机械手电气部分主要由变压器，步进电机驱动器，直流电机驱动器，PLC主机模块，控制面板等部分组成。 （1）变压器作用是把 220V 的交流电压转换为电机与 PLC 工作的 24V 直流电压；（2）X 轴Y 轴直线运动由步进电机实现，步进电机能够达到比较高的重复定位精度。步进电机驱动器将输入的电信号（或者脉冲信号）通过模数处理，转变为电机的步进运动与增量位移，控制机械运动；（3）机械手有两个旋转动作，分别是抓手轴的正反旋转和旋转底盘Z 轴的正反旋转，其动作由直流无刷电机带动，可回旋 360°，无刷直流电机的驱动器采用 24V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护等特点；（4）控制面板开关主要分为自动和手动两种模式。 自动模式下，根据 PLC的编程顺序进行各种动作并循环；手动模式主要是实现点动。 且控制面板上采用复合开关按钮，节约 PLC 输入点位；（5）PLC采用了逐步通电、同步断电的步进式控制设计，受控对象之间形成互锁，动作的是否执行取决于前一步动作是否完成，若前一步未完成，则后一步无法执行。具有编程简单、维修方便、柔性化强等特点，可在现场修改和调试程序，可根据生产要求随时改变。
2 控制要求
图 2 机械手动作示意图
图 2 为本机械手教学实训模型的动作示意图，其工作路径是将工件从 A 点搬运至 B 点。机械手运行时，机械手要返回至设定的原点位置，之后通过 XY轴的滚珠丝杠、底座和腕部的旋转运动至工件所在位置并夹持工件回到原点，将工件准确的运送至指定位置。
3 控制部分设计
基于控制要求，合理地分配 PLC 输入、输出点位。 如表 1 所示为 PLC 的输入输出各点位的分配。
顺序控制就是使系统能按一定的顺序工作，常用于离散的生产过程控制。顺序控制又可以分为确定顺序控制和随机顺序控制，在生产机械运行中常为确定顺序控制，控制对象工作过程或顺序是确定的。用 PLC 进行顺序控制是PLC 的基本应用，也是PLC 的优势所在，在生产机械的自动化控制领域中，PLC顺序控制系统的应用很广泛。
常用的生产机械顺序控制系统运行时，设备按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行。PLC顺序控制系统的输入信号大多数是行程开关、接近开关、光电开关、干簧管开关、霍尔元件开关等位置检测开关，有时也采用压力继电器、定时器等。
FX 系列 PLC 顺序控制程序的编程方法有很多，如状态转移图和步进梯形图编程、起动 - 保持 -停止电路编程、置位和复位指令编程、移位指令编程等。本文以三菱的 FX 系列 PLC为例，说明实现顺序控制的常用四种程序设计方法。
1 状态转移图和步进梯形图编程
状态编程就是将一个复杂的控制过程分解为若干个工作状态，明确各状态的任务、状态转移的条件以及转移的方向，再依据总的控制顺序要求，把这些状态组合形成状态转移图，后依一定的规则将状态转移图转绘为步进梯形图程序。步进梯形图和状态转移图是一一对应的，在进行编程时，我们是要根据设备的工艺过程控制要求，绘出状态转移图。
状态法编程思想其实就是将复杂的顺序控制过程分解为若干个工作“状态”，分别进行编程，后再组合成整体程序。这种编程方法可以使编程工作程序化和规范化，是PLC程序设计的重要方法。状态转移图是状态编程的工具，图中包含了顺序控制程序所需用的全部状态及各状态间的相互联系。对某一具体状态来说，状态转移图给出了该状态的驱动任务、状态转移的条件和状态转移的方向。状态转移图可以非常清晰地表达出顺序控制的整个工艺流程，形象直观，可读性很强，特别在复杂的顺序控制程序中应用起来非常方便。
例如，某 PLC 控制的送料小车，小车原位停止时压下限位开关 SQ1（X0），按下启动按钮SB（X2），Y2接通小车前进，当运行到料斗下方时压下限位开关SQ2（X1），Y2 断开小车停止，Y0接通料斗门打开给小车加料，延时 10 秒后关闭料斗，Y3 接通小车后退返回，当回到原位时压下限位开关SQ1（X0），Y3断开小车停止，Y1 接通小车底门打开卸料，延时 8 秒后卸料结束，完成一次动作，并可以循环。
该运料小车控制系统为典型的顺序控制，采用状态编程，其状态转移图如图 1 所示。 在负载驱动部分，Y1 前面加 X1的常闭的作用是压下限位开关后，能让电动机的电源及时切断，确保准确定位，从而保证运料小车工作的可靠性。小车运动控制状态转移图可以转换成对应的步进梯形图，步进开始用STL指令，其具有主控和跳转功能，确保各状态驱动严格按顺序进行，步进结束用 RET 指令返回。
图 1 状态转移图
2 使用启动- 保持 -停止电路编程
启动 - 保持 - 停止电路是基本的 PLC控制电路，有关断优先和接通优先两种形式，一般采用关断优先控制，也可以衍生出许多常用控制电路程序。利用启动 - 保持 -停止电路思想，按照实际的控制逻辑，也可以很方便的设计出顺序控制程序。
例如某设备工作循环为：X1 接通后 Y1 接通—X2 接通后 Y2 接通，Y1 断开—X3 接通后 Y3 接通，Y2断开—X4 接通后 Y1 接通，Y3 断开，自动循环。利用启动 - 保持 - 停止电路设计的控制梯形图如图 2所示，系统启动后能一直按顺序自动循环运行，若 X5 接通，则 Y0-Y3都断开，系统停止工作。控制梯形图利用常开常闭触点、线圈等来实现输出的顺序接通控制，控制逻辑也很直观，停止信号接通时，执行数据传送指令MOV，使 Y0-Y3 都清零断开，实现设备停止。
为了扩展数控系统逻辑功能的可编程能力，通常在数控系统中配置PLC功能。并采用独立PLC或内置式PLC两种方式。但目前内置式PLC一般使用软件实现。有一套特有的编程与配置方法，这对使用者熟悉新功能提出了额外的要求。现场可编程逻辑器件FPGA具有很强的在线逻辑编程能力。常被应用于实现某些逻辑控制中。比如交通信号灯控制：近来也有用FPGA实现PLC的尝试。即将与需要实现的控制功能对应的梯形图直接做成FPGA硬连线逻辑。但这些应用都没有脱离FPGA本身的现场可编程特性。用户如需修改控制逻辑。就需要掌握VHDL语言及FPGA的EDA设计方法。否则不能提供更加友好、通用的PLC编程界面。
本文介绍了一种新的数控系统中内置式PLC的FPGA实现方法。它能较好地解决上述技术难题，也便于实际应用。
1 基于ARM和FPGA的数控系统
机床数控系统由控制系统、伺服驱动系统和伺服电机组成。控制系统生成的坐标轴运动指令，被发送到伺服驱动系统。由伺服驱动系统形成伺服电机的运转控制令。从而使伺服电机完成相应的动作。
图1是基于ARM+FPGA的数控系统的FPGA部分结构框图，下载接口、配置器件及FPGA3个部分组成了FPGA自身的开发调试环境。可以方便地与PC组成开发调试平台。机床控制单元MCU使用32位的ARM嵌入式处理器。运行uC／0S实时操作系统，实现控制系统的大量分析和计算工作。比如G代码解析，根据加工要求形成坐标轴的运动指令以及数控系统的人机界面等。FPGA除了完成对运动指令进行细插补之外。还实现了数控系统键盘电路的扫描模块、编码计数器模块和驱动器控制模块的功能。本文要介绍的数控系统内置式PLC也是在FPGA内部实现的。
图1 数控系统中的FPGA结构框图
2 用FPGA实现PLC的软硬件架构
为了有更好的人机界面。更符合工程习惯。采用与主流商业PLC兼容的编程语言进行编程。内置式PLC可以接受终用户输入的PLC指令表(一个特定的子集)。并终实现相应的逻辑控制功能。FPGA内部是硬件逻辑。显然无法识别PLC指令，为了实现这种构想。必须设计一套指令集。该指令集定义了FPGA可以执行的小操作的集合。根据指令集来设计编译器和FPGA内部的PLC逻辑。其软硬件架构如图2所示。PLC指令被编译后，生成FPGA可执行的指令代码。将指令代码下载到FPGA内部，由执行逻辑对代码进行逐条执行。终实现PLC的逻辑控制功能。
数控加工过程容易出现撞刀事故，特别是在数控技能人才的培训过程中，学员缺乏数控操作的实际经验与系统的理论知识，更容易导致撞刀事故发生。撞刀事故不仅可能对昂贵的数控机床设备造成危害，严重的话，可能造成数控机床的报废，更可怕的是可能造成人身伤害。怎样防止撞刀事故的发生，一直都是从事数控机床技术人员重点考虑的问题之一。
1 撞刀信号的检测
所谓数控机床撞刀，指的是由于各种错误而导致刀具以非正常切削速度(一般是G00指令快速移动)与工件或机床其他部件发生的碰撞。要防止撞刀事故的发生，可以考虑使用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断，并检测此时车刀的移动速度和方向，以此通过判别。当判别到刀具与工件距离在警戒范围内，且刀具快速移动朝向工件时，就认为要发生撞刀事故。此时，控制系统发生动作，并实现电机制动。信号检测方法如下。
1.1 用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断
由电磁场理论可知，在受到时变磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。据此原理可自制金属传感器电路。在图1中，电路由振荡电路、比较电路和整形电路三部分组成。将车刀套入传感器线圈中，检测电路接通电源后，线圈振荡产生一个交变磁场，金属工件在此磁场中移动时产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，衰减量的变化正比于金属工件和车刀的距离。振荡电路的输出幅值经过比较器进行比较，比较后的输出信号经过整形电路整形，可直接输入控制电路进行检测状态的判别。电涡流式传感器的灵敏度和线性范围与线圈产生的磁场强度和分布状况有关。接近开关的警戒距离可以通过调整传感器线圈的尺寸、形状及图1中R1的电阻来实现调节。
图1接近开关电路原理图
1.2 用HC对车刀运动方向信号及速度信号进行检测
检测车刀运动方向信号只要检测步进电机方向信号的高低电平即可。
而速度信号的检测，是采集驱动步进电机的脉冲信号，并在1个时基内采用PLC的高速脉冲计数器对该脉冲信号进行记数，将所记数与寄存器设定值比较，当1个时基内所记数大于设定值时，就可输出开关量。
2 防撞刀系统控制方案
控制系统的设计可以利用PLC来实现。PLC是一种成熟的工业控制产品，内部有良好的光电隔离装置，抗干扰能力强，可靠性高，灵活性好，其接线与参数修改方便，对现场不同的实际情况可以及时地作出调整。
PLC控制系统选用FXlN-24M，其参数与性能为：14个输入点，其中X0～X5这6个端子为高速输入端子，10个输出点。单步步速0.55μs～0.7μs，应用指令数～数步速约为100bts，继电器输出。根据控制要求，设计PLC的控制流程如图2所示。
图2 PLC控制流程图
PLC控制的梯形图如图3。接近开关检测信号由X10输入，X轴、y轴方向信号的高低电平分别由X11、X12端口输入。若X11、X10均处于高电平时，认为工件处于接近开关警戒距离，且车刀向工件方向运动，此时执行SPD指令，检测车床X轴速度。数控系统发出的脉冲信号由PLC的X0端子输入，并在1个时基内记数为DO，随后执行CMP比较指令，当DO大于设定的比较常数值K=3时，系统判别车刀速度为快速移动，数控车床处于要撞刀状态，输出M0高电平信号，并转跳到P20，从而Y1输出高电平。若DO小于设定的比较常数值K=3，则说明X轴方向处于正常状态，程序继续往下运行。