吳會敏 魏宏飛

?

基于PAC Motion的搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)動控制研究

吳會敏 魏宏飛

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473009）

根據(jù)搬運(yùn)機(jī)械手的控制要求，采用PLC和運(yùn)動控制模塊對機(jī)械手進(jìn)行控制，詳細(xì)論述了控制系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)方法。運(yùn)動控制模塊PMM335對伺服電機(jī)的精確定位控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和控制精度。

PAC Motion 機(jī)械手 伺服電機(jī) 運(yùn)動控制

機(jī)械手是一種模仿人手動作并按照一定程序吸取、搬運(yùn)物料等重復(fù)性操作的自動化裝置。在高溫、重載、多粉塵的危險環(huán)境中，搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用非常普遍，不但減輕了工人的勞動強(qiáng)度，還大大提高了勞動生產(chǎn)率[1]。本文設(shè)計的基于PAC Motion的搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、定位精確、運(yùn)行平穩(wěn)。根據(jù)實際工作現(xiàn)場需要，利用真空吸附方式抓取，可以搬運(yùn)氣動手爪無法搬運(yùn)的物料[2]。

１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成

搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動模塊、執(zhí)行部件、機(jī)械部件、傳感器及觸摸屏組成，如圖1所示。系統(tǒng)控制器釆用美國GE公司PAC Systems 系列RX3i 可編程自動化控制器；系統(tǒng)的驅(qū)動模塊由伺服電機(jī)驅(qū)動和氣壓驅(qū)動兩部分組成；執(zhí)行部件分別為伺服電機(jī)和氣缸；機(jī)械部件包括基座、滾珠絲杠和導(dǎo)向支撐部件等[3]。在滾珠絲杠下面安裝有兩個左右限位開關(guān)，防止雙桿氣缸越位導(dǎo)致器件的損毀。

圖1 物料搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)組成

1.2 機(jī)械手控制要求

機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計要求如下：（1）機(jī)械手通過手動和自動兩種方式實現(xiàn)控制功能；（2）手動方式下，用點動的方式進(jìn)行機(jī)械手的移動控制，控制按鈕設(shè)置在控制面板上；（3）自動方式下，機(jī)械手根據(jù)PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)自動運(yùn)行，完成物料的吸取、釋放和移動過程。

系統(tǒng)使用GE公司的PAC Motion控制器控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過連接器將滾珠絲杠與電機(jī)連接，電機(jī)正反轉(zhuǎn)動引起滾珠絲杠上的滑塊左右運(yùn)動，從而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成水平運(yùn)動，并結(jié)合使用I/O端口對電磁閥進(jìn)行控制；電磁閥控制雙桿氣缸伸縮實現(xiàn)垂直運(yùn)動，當(dāng)雙桿氣缸伸出時觸發(fā)光電開關(guān)，程序收到光電開關(guān)的指令，氣桿下降到指定位置，結(jié)合真空發(fā)生器吸盤吸取物料；然后雙桿氣缸收縮提起物體，電機(jī)轉(zhuǎn)動使物體水平移動。如果雙桿氣缸伸出時沒能吸起物體則不能觸發(fā)光電開關(guān)，程序就執(zhí)行下一步，裝置便自動停止工作。

２ 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 PAC Motion系統(tǒng)

PAC Motion是基于PAC SystemsTM RX3i架構(gòu)的運(yùn)動控制系統(tǒng)，核心部件是運(yùn)動控制模塊PMM335模塊[4]。PMM335以板卡的形式安裝在PAC系統(tǒng)的PCI底板上，可以達(dá)到33M的數(shù)據(jù)交換速度。一套典型的PAC Motion系統(tǒng)包括PMM運(yùn)動控制器，PACSystems RX3i控制器，Machine Edition 編程軟件，馬達(dá)，伺服放大器，I/O，以及一套人機(jī)界面( HMI)[5]。每個PMM335模塊通過菊花形光纖連接4個伺服放大器，傳輸PMM335控制軸所必需的控制和反饋信號。本系統(tǒng)使用扭矩為0.65 N·m的高性能、高可靠性的伺服放大器。

2.2 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械手控制系統(tǒng)包括PACSystems RX3i控制器，PMM運(yùn)動控制器，F(xiàn)ANUC伺服放大器（A06B-6130-H002），F(xiàn)ANUC伺服電機(jī)（A06B-0115-B203）、FANUC伺服編碼器等。伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

３ 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)控制要求，機(jī)械手有１個執(zhí)行氣缸完成Z軸的上升與下降運(yùn)動，１個真空發(fā)生器帶動真空吸盤完成物料吸放任務(wù)。執(zhí)行氣缸與真空發(fā)生器由二位五通電磁閥控制，均采用雙電控電磁閥。電磁閥出氣口安裝有節(jié)流閥，用來調(diào)節(jié)氣體流量的大小確保氣缸的動作平穩(wěn)可靠[6]。氣缸選擇活塞帶磁性的氣缸，便于利用磁性開關(guān)來檢測活塞的運(yùn)動行程。為了確保真空發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓能夠吸住物體，采用氣壓傳感器檢測負(fù)壓大小[7]。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)配置

針對 FANUC 的 A06B-0115-B203伺服電機(jī)與A06B-6130-H002伺服放大器，在 Proficy ME軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置:

(1)組態(tài) PMM 設(shè)置：在設(shè)置選項卡為 I/O 狀態(tài)數(shù)據(jù)選擇起始參考地址；配置所需要的軸數(shù)并分配名稱；如果要使 CPU 訪問模塊 I/O 數(shù)據(jù)的頻率小于每個“I/O Scan”，可選擇一個已經(jīng)在 CPU 定義的“I/O Scan”，默認(rèn)選擇是1，如圖3所示。

圖3 組態(tài)PMM設(shè)置

(2)組態(tài)軸參數(shù)：在“Axis”屬性頁組態(tài)軸的可操作屬性。其中：Motor encoder mode表示電機(jī)的編碼模式，這里將電機(jī)編碼器模式由絕對（absolute）改為增加（lncremental）?！癘ver travel limit switch”表示電機(jī)的行程限位開關(guān)，設(shè)為禁用?！癕otor type”表示電機(jī)的類型，系統(tǒng)默認(rèn)電機(jī)型號為65535，根據(jù)實際電機(jī)型號查代碼手冊，A06B-0115-B203伺服電機(jī)型號代碼為280。如圖4所示。

圖4 組態(tài)軸參數(shù)

(3)觸摸屏配置：Quick Panel View/Control是一種緊湊型控制計算機(jī)。它采用WindowsCE.NET作為其操作系統(tǒng)，是Win32應(yīng)用編程接口的一個子集，簡化了現(xiàn)有軟件從Windows其他版本的移植過程。本系統(tǒng)配置的觸摸屏型號為IC754CSL06CTD，觸摸屏操作界面如圖5所示。

圖5 觸摸屏操作界面

4.2 系統(tǒng)通信的實現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計主要采用PACSystems RX3i系統(tǒng)的電源模塊（IC695PSD040）、CPU(IC695CPU315)、以太網(wǎng)模塊（IC695ETM001）、數(shù)字量輸入模塊（IC694ACC300）、數(shù)字量輸出模塊（IC694 MDL754）和運(yùn)動控制模塊（IC695PMM355）、光纖I/O 終端模塊（IC695FTB001）、伺服放大器（A06B-6130-H002）、伺服電機(jī)（A06B-0115-B203）和HMI顯示屏等設(shè)備。其中，PAC RX3i控制器結(jié)合運(yùn)動控制模塊PMM335實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制和運(yùn)動控制。在Proficy ME軟件中進(jìn)行配置后，硬件配置圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件配置圖

上位機(jī)PME主機(jī)與下位機(jī)PAC Systems RX3i控制器的通信采用以太網(wǎng)通信方式。設(shè)上位機(jī)IP地址設(shè)為192.168.1.10，下位機(jī)PAC以太網(wǎng)通信模塊IP設(shè)為192.168.1.11，HMI觸摸屏IP地址設(shè)為192.168.1.12。通過PME軟件進(jìn)行硬件組態(tài)下載，當(dāng) Target1前面的由灰變綠，屏幕下方出現(xiàn)“ Programmer、Stop Disabled、Config EQ”，機(jī)柜上PMM335模塊的CONFIG指示燈由閃爍變?yōu)槌＞G燈，表明PMM335配置正確；同時FSSB指示燈亮起，表示通信建立成功。

4.3 I/O點的分配

系統(tǒng)采用 GE智能平臺的PAC Systems RX3i控制器進(jìn)行控制，其輸入輸出地址分配如表1、表 2所示。

表1 輸入地址分配表

表2 輸出地址分配圖

4.4 軟件設(shè)計

本機(jī)械手控制系統(tǒng)采用GE通用編程軟件Proficy Machine Edition編程軟件進(jìn)行編程，工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

5 結(jié)語

本系統(tǒng)使用了氣動技術(shù)、PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、伺服電機(jī)控制技術(shù)等方面設(shè)計開發(fā)一臺氣動伺服搬運(yùn)機(jī)械手模型。該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行可靠，能夠自動完成預(yù)定動作，具有一定的推廣前景。

[1] 張海英等.基于PLC的氣動吸盤式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計[J].機(jī)械工程師,2010(11):32-33.

[2] 胡志剛等.機(jī)械手搬運(yùn)物料精確定位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2014(6):93-96.

[3] 蔣浩.基于PLC的工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計[D].南京:南京信息工程大學(xué),2012.

[4] GE Fanuc Automation North America，Inc. PAC System Rx3i 系統(tǒng)手冊: GFK-2314[K].GE Fanuc Automation North America,Inc.,2004.

[5] 李庭貴.氣動機(jī)械手搬運(yùn)物料精確定位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動,2012(1):54-56.

[6] 張慶良.基于PLC的氣動機(jī)械手的設(shè)計[J].液壓與氣動,2012(5):121-122.