PLC及伺服電機(jī)的精確定位輸送機(jī)械手設(shè)計(jì)

張順星1，梁小宜2

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.麥克傳感器有限公司，陜西 寶雞 721006)

Research and Realization of Communication Control Between PLC andInverter Based on PLC and Servo Motor

ZHANG Shunxing1，LIANG Xiaoyi2

(1.Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China；2.Micro Sensor Limited Company，Baoji 721006，China)

摘要：為了建成一套精確定位的輸送機(jī)械手控制系統(tǒng)，以西門子S7-200系列PLC和松下MINAS A5系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器為例，提出了使用PLC主機(jī)單元的高速脈沖輸出端口控制伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)定位控制的方案。

關(guān)鍵詞：PLC；氣動(dòng)機(jī)械手；伺服電機(jī)；定位控制；運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

中圖分類號(hào)：TH138

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0033-03

收稿日期：2015-01-07

基金項(xiàng)目：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目(ZK12-19)

作者簡介：張順星(1980-)，男，河南焦作人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化控制；梁小宜 (1981-)，男，陜西寶雞人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化儀器儀表。

Abstract：For the purpose of composing a precise positioning control conveying manipulator，the positioning control design of using PLC’s high-speed pulse train output to control servo drive is proposed，with the example of S7-200 series PLC and Panasonic servo drive.

Key words：programmable logic controller；pneumatic manipulator；servo motor； positioning control；motion profile

0引言

機(jī)械手可以提高生產(chǎn)作業(yè)的自動(dòng)化水平及產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)的效率。輸送機(jī)械手可以將工件從一個(gè)工作臺(tái)上搬運(yùn)到另一個(gè)工作臺(tái)上進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)工件在工作臺(tái)之間的傳輸，在自動(dòng)化生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。精確的定位能力，是衡量輸送機(jī)械手性能的重要指標(biāo)。伺服電機(jī)是將收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移輸出，使用自帶的編碼器將運(yùn)行信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)精確的定位控制。

1輸送機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1輸送機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸送機(jī)械手控制系統(tǒng)主要由氣動(dòng)機(jī)械手、伺服驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)組成。氣動(dòng)機(jī)械手是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)升降、伸縮、氣動(dòng)手指夾緊/松開和沿垂直軸旋轉(zhuǎn)的四維運(yùn)動(dòng)的工作單元，實(shí)現(xiàn)抓取和放下工件的功能。伺服驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和直線運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)組件組成。直線運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)組件包括直線導(dǎo)軌底板、同步輪、同步帶、直線導(dǎo)軌、滑動(dòng)溜板和拖鏈等部分。為了機(jī)械手精確定位需要，在機(jī)械手底座裝有電感式傳感器作為機(jī)械手的基準(zhǔn)傳感器，確定機(jī)械手原點(diǎn)基準(zhǔn)和機(jī)械手前進(jìn)的起始位置，并在機(jī)械手左/右旋轉(zhuǎn)的極限位置裝有限位開關(guān)，進(jìn)行越程保護(hù)。氣動(dòng)機(jī)械手安裝在直線運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)組件上，實(shí)現(xiàn)精確定位功能，輸送機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　輸送機(jī)械手結(jié)構(gòu)

1.2輸送機(jī)械手控制工藝要求

YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線由供料單元、加工單元、裝配單元、輸送機(jī)械手單元和分揀單元組成，其中，每個(gè)工作單元都是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)[3]。輸送機(jī)械手單元的功能是：初始狀態(tài)時(shí)，輸送機(jī)械手在系統(tǒng)原點(diǎn)，正對(duì)供料單元，按下啟動(dòng)按鈕后，當(dāng)供料單元的料臺(tái)上有工件時(shí)，機(jī)械手抓取工件，抓取完成后，機(jī)械手縮回，接著PLC控制機(jī)械手前進(jìn)430 mm將工件輸送到加工單元進(jìn)行加工；加工完成后，機(jī)械手取回工件并前進(jìn)350 mm，將工件輸送到裝配單元進(jìn)行裝配；裝配完成后，機(jī)械手取回工件并前進(jìn)260 mm，將工件輸送到分揀單元，由分揀單元對(duì)已加工完成的工件進(jìn)行分類存儲(chǔ)；此時(shí)機(jī)械手高速返回，運(yùn)行900 mm再低速返回原點(diǎn)，完成輸送工件全過程。當(dāng)下一個(gè)工件送到供料單元物料臺(tái)時(shí)，輸送機(jī)械手重復(fù)上述動(dòng)作。機(jī)械手輸送物料過程涉及到4個(gè)位置精確定位，其定位運(yùn)行過程如圖2所示。

圖2　輸送機(jī)械手定位運(yùn)行過程

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械手的氣動(dòng)控制回路

氣動(dòng)機(jī)械手主要由提升臺(tái)氣缸、手臂伸出氣缸、擺動(dòng)氣缸、手指氣缸、磁性開關(guān)和電磁閥等組成。提升臺(tái)氣缸控制機(jī)械手垂直手臂上升、下降，由單電控二位五通電磁閥1Y1控制；手臂伸出氣缸控制機(jī)械手水平手臂伸出、縮回，由單電控二位五通電磁閥1Y2控制；擺動(dòng)氣缸控制機(jī)械手左擺、右擺，在將工件輸送到分揀單元時(shí)，機(jī)械手需要左擺，高速返回完成后要右擺，由雙電控二位五通電磁閥3Y1，3Y2控制；手指氣缸完成工件的夾取動(dòng)作，由雙電控二位五通電磁閥4Y1，4Y2控制。磁性開關(guān)1B1，1B2等用于檢測(cè)氣缸的位置，當(dāng)檢測(cè)到氣缸到位后將給PLC發(fā)出一個(gè)到位信號(hào)。系統(tǒng)氣動(dòng)控制回路如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)氣動(dòng)控制回路

2.2PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用S7-200系列CPU226型PLC作為控制器，該控制器有2點(diǎn)數(shù)字輸入及16點(diǎn)數(shù)字輸出，它的2個(gè)數(shù)字輸出(Q0.0和Q0.1)具有高速脈沖串輸出(PTO)功能，可用于伺服電機(jī)的位置控制[5]。輸送機(jī)械手I/O分配如表1所示。

表1輸送機(jī)械手PLC的I/O分配表

輸入信號(hào)輸出信號(hào)輸入設(shè)備PLC輸入點(diǎn)輸出設(shè)備PLC輸出點(diǎn)原點(diǎn)傳感器檢測(cè)I0.0脈沖Q0.0右限位保護(hù)I0.1方向Q0.1左限位保護(hù)I0.2抬升臺(tái)上升電磁閥Q0.2機(jī)械手抬升下限檢測(cè)I0.3回轉(zhuǎn)氣缸左旋電磁閥Q0.3機(jī)械手抬升上限檢測(cè)I0.4回轉(zhuǎn)氣缸右旋電磁閥Q0.4機(jī)械手旋轉(zhuǎn)左限檢測(cè)I0.5手爪伸出電磁閥Q0.5機(jī)械手旋轉(zhuǎn)右限檢測(cè)I0.6手爪夾緊電磁閥Q0.6機(jī)械手伸出檢測(cè)I0.7手爪放松電磁閥Q0.7機(jī)械手縮回檢測(cè)I1.0報(bào)警指示Q1.0機(jī)械手夾緊檢測(cè)I1.1運(yùn)行指示Q1.1伺服報(bào)警I1.2停止指示Q1.2啟動(dòng)按鈕I1.3復(fù)位按鈕I1.4急停按鈕I1.5方式選擇I1.6

2.3伺服驅(qū)動(dòng)精確定位設(shè)計(jì)

MINAS A5系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器，是日本松下電器公司生產(chǎn)的全數(shù)字化交流伺服裝置，具有響應(yīng)快、精度高、控制方式多樣化和保護(hù)措施齊全等特點(diǎn)。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用松下MHMD022G1U永磁同步交流伺服電機(jī)、MADHT1507E全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器，作為運(yùn)輸機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制裝置。伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。

在位置控制模式下，電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖串頻率相關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與脈沖個(gè)數(shù)相關(guān)。同步輪齒距為5 mm，共12個(gè)齒，即伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周輸送機(jī)械手位移60 mm，因?yàn)殡姍C(jī)每轉(zhuǎn)1圈需6 000個(gè)脈沖，所以機(jī)械手每前進(jìn)1 mm需100個(gè)脈沖，即定位精度可達(dá)0.01 mm。

按照控制工藝要求，供料單元距離加工單元430 mm，要使輸送機(jī)械手從供料單元運(yùn)行到加工單元，PLC需產(chǎn)生43 000個(gè)脈沖。

表2伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置

序號(hào)參數(shù)編號(hào)參數(shù)名稱設(shè)置數(shù)值功能和含義1Pr0.01 控制模式0 位置控制模式2Pr0.06 指令脈沖旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置1 方向信號(hào)=0時(shí)前進(jìn),方向信號(hào)=1時(shí)后退3Pr0.07 指令脈沖輸入方式3 使用脈沖+方向方式控制驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行4Pr0.08 電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)6000 輸入6000個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)1圈5Pr5.04 驅(qū)動(dòng)禁止輸入設(shè)定2 正向、負(fù)向驅(qū)動(dòng)禁止輸入有效

3輸送機(jī)械手軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1PLC位置控制向?qū)?/p>

為了簡化用戶應(yīng)用程序中位置控制功能，用STEP7-Micro/WIN提供的位置控制向?qū)?，可快速完成PTO或位置控制模塊的組態(tài)。打開STEP7-Micro/WIN軟件，在“工具”菜單中單擊“位置控制向?qū)А?，出現(xiàn)“位置控制向?qū)А睂?duì)話框，選擇“配置S7-200 PLC內(nèi)置PTO/PWM操作”[6]。根據(jù)工藝要求，設(shè)置電機(jī)的最高速度、啟動(dòng)停止速度和加減速時(shí)間等參數(shù)，繪制包絡(luò)。輸送機(jī)械手共需要設(shè)置5個(gè)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，以輸送單元前進(jìn)到加工單元為例，包絡(luò)1操作模式為“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”，步0的目標(biāo)速度為30 000 脈沖/s，步0的結(jié)束位置為43 000個(gè)脈沖，最終形成的包絡(luò)如圖4所示。

圖4　伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)組態(tài)

運(yùn)動(dòng)包絡(luò)組態(tài)完成后，向?qū)?huì)為所選的配置生成3個(gè)子程序，分別是PTOx_RUN(運(yùn)行包絡(luò))、PTOx_CTRL(控制)和PTOx_MAN(手動(dòng))。在輸送機(jī)械手進(jìn)行定位的過程中，正是使用PTOx_RUN子程序，使伺服電機(jī)按照預(yù)先定義好的運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)，移動(dòng)到指定的生產(chǎn)線單元。可以利用PTOx_RUN指令的輸出完成信號(hào)位Done，作為下一個(gè)包絡(luò)開始的啟動(dòng)條件。

3.2流程圖設(shè)計(jì)

根據(jù)輸送機(jī)械手控制工藝要求，設(shè)計(jì)主程序，其流程如圖5所示。

圖5　主程序流程

4結(jié)束語

應(yīng)用了PLC技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行精確定位的輸送機(jī)械手控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)具有定位精確、運(yùn)行可靠和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在機(jī)械、電子和物流等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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