姚世選,李論,仲崇權

(1.大連交通大學 動車應用與維護工程學院，遼寧 大連 116028; 2.大連理工大學 控制科學與工程學院，遼寧 大連 116024)*

基于PLC的機械吊臂定位控制設計

姚世選1,李論1,仲崇權2

(1.大連交通大學 動車應用與維護工程學院，遼寧 大連 116028; 2.大連理工大學 控制科學與工程學院，遼寧 大連 116024)*

針對大型零部件清洗系統(tǒng)中的自動機械吊臂進行控制研究，基于PLC控制平臺由控制單元、執(zhí)行機構以及顯示平臺組成.介紹了控制系統(tǒng)的工作原理，建立了機械吊臂的數學模型，對定位過程中的運動路徑進行了計算分析.PLC主要控制機械吊臂的運動，以工控機屏幕顯示大型零件清洗狀態(tài)信息和操作控制，文中給出了系統(tǒng)硬件電路和軟件設計.該系統(tǒng)的機械吊臂定位精度優(yōu)于1 mm，能夠實現機械吊臂懸掛車鉤高速準確無誤自動裝入清洗室插銷中，實現自動化操作.

運動控制；定位模塊；PLC

0 引言

在工業(yè)、國防、建筑等領域中，時常會用到大型的機械吊臂進行物體的轉載，例如在搭建橋梁的過程中對橋體進行對接，在汽車工業(yè)中需要對車體進行吊裝等.在通常情況下，常常采用人工手動的方式進行控制，但是隨著近年來技術的發(fā)展，在對待加工件轉移的時間和精度控制等方面，這種方式已經不再符合現階段的生產過程，所以基于PLC控制平臺搭建的定位模塊很好的滿足了工業(yè)活動自動化的要求，而且解決了控制模型建立以及精度計算的難度.

本文以機械吊臂為核心的清洗系統(tǒng)，解決了由于長時間在線路上作業(yè)的大型零部件覆蓋黏著的雜物進行清洗效率較低，作業(yè)環(huán)境較差等問題.

1 參數計算

控制電機的方式選擇位置控制模式，在防止電機運行過程中的失步、超步和過沖等現象，電機的響應頻率必須要大于等于所控的脈沖頻率[2- 3]并采用雙梯型曲線模式.由于機械吊臂需要定位的位置有3個，所以要求精確計算機械吊臂每走一個工步PLC定位模塊發(fā)送的脈沖數量、最高速度下發(fā)送的脈沖頻率已及加速度的計算：

(1)脈沖數量計算

(2)脈沖頻率計算

(3)脈沖加速度計算

選用PLC內部集成運動控制定位模塊，該定位模塊速度是梯形曲線，為了使運動過程更加穩(wěn)定采用的是加速減速同樣的斜率，實現與 PLC定位模塊的性能更加匹配，可以繪制出速度雙梯形曲線如圖1所示，第二段曲線是降低車鉤入槽速度，使定位更加精確[4- 5].

圖1 速度雙T型曲線

2 設計方案

選用MAC1610運動控制系列PLC為系統(tǒng)主控制器，CPS100為電源模塊，EIO100和EIO160分別是數字量輸入、輸出模塊，和EA100、EA150組成的模擬量輸入、輸出模塊.機械部分由機械吊臂機構、待清洗件支架、清洗室和控制臺組成.設計方案框圖為圖2所示.

圖2 設計方案圖

3 定位模型

創(chuàng)建原點位置、清洗位置和取件位置三點定位的示意圖，如圖3所示.

圖3 定位示意圖

由圖所示，取件位置和清洗位置分別位于原點位置兩側，依據機械臂三軸均可自由移動，建立以原點位置(即吊鉤所在位置)為模型原點的三維坐標系模型，如圖4所示.

圖4 定位與計算模型

原點位置為O點，取件位置和清洗位置分別為Q和P點，對應Ⅷ和Ⅵ象限.在從O點定位到Q點過程中，可測量是OQ和Q點到O點視角α，和X軸方向Q點坐標(明確定位量a1).假設QQ0為OQ在XY坐標軸下的投影，c1則為QQ0在Z軸方向的投影；m為伺服驅動器的指令脈沖倍頻，p為電機每轉脈沖數，s為坐標間距，L為絲杠螺距，則可以精確定位到Q點的位置：

從Q點定位到P點在Z軸不變的基礎上建立XY軸坐標系模型，如圖5所示.

圖5 兩點定位模型

在定位至P點的過程中，要想計算Y軸電機轉動的脈沖數，必須知道從Q1點運動到P1的弧長l，OQ1和OP1分別為OQ和OP在XY坐標面上的投影，選擇最優(yōu)定位路線，即做P1至Y軸的垂直線p相交于M，連接Q1和P1，以Q1P1為一條邊，另一條邊為q使兩邊的夾角等于∠Q1P1O0，q和p相交的點O0即為運動路徑的圓心，滿足∠O0Q1P1=∠Q1P1O0，并且已知Q和P點的XY軸坐標，可以計算出Q1P1的長度為：

因為∠Q1P1O0已知，可以求得運動路徑所在圓的半徑為：

進而可以得到：

同理可以求得從P點回到原點的定位路徑.在選擇最優(yōu)轉動路徑的時候，由于清洗室的上端安裝有插槽，所以需要考慮到吊銷進入插槽中的定位軌跡，圖6為三種不同的入槽角度.

圖6 旋轉角度模型

通過實驗證明，在選擇A1A2軌跡進行入槽定位比B1B2和C1C2軌跡要穩(wěn)定、準確，因為插槽的凹口是平直面，在B1B2和C1C2軌跡中，入槽的角度要小于垂直于凹口入槽的角度，如圖7所示.

圖7 A1A2軌跡圖

這樣可以求取三點的定位坐標和最優(yōu)軌跡路線，將計算出來的脈沖數寫入PLC定位模塊中進行自行尋跡.

4 主程序設計

清洗系統(tǒng)的流程圖如圖8所示.

圖8 主程序流程圖

在主程序中，為了實現三軸定位精確，使用了大工計控PLC的運動控制中相對定位指令MC_MoveRelative和MC_Stop指令.其中四個主要參數是Distance、Velocity、Acceleration和Deceleration[6- 7].為了讓機械臂定位邏輯正確，添加了VW200和VW201兩個標志位(圖9)，根據數組關系確定對應的定位信息.

前項分別由0至4組成，0代表待命狀態(tài)，“1”表示圖4中從O點定位到Q點過程，“2”表示Q點到P點過程，“3”表示進入清洗室，“4”表示從P點回到O點過程.后項代表機械臂XYZ三軸的運動狀態(tài)，應用Move_W指令，在運動到指定地點后標志位置1，將數組中對應的數值移至主程序中，T9是該軸所需的延時，延時過后主程序會自行判斷該行使哪一個軸的運動以及運動的參數.

圖9 VW200、VW201數組

上位機采用Dview組態(tài)軟件進行上位機界面的設計.與PLC進行數據交換的方式是通過以太網線連接[8]，上位機自動模式界面圖如圖10所示.

圖10 上位機自動模式界面

操作者選擇需要清洗的待加工件號便可以自動清洗，與實際機械臂的運動情況一一對應.

5 結論

該清洗系統(tǒng)清洗的速度可以實現3 min清洗一次，定位精度優(yōu)于1 mm，實現機械吊臂懸掛待加工件高速準確無誤自動裝入清洗室插銷中，降低工人的勞動強度，滿足清洗時的安全和高效.

[1]楊浩.運輸組織學[M].北京：中國鐵道出版社,2004.

[2]齊占慶,王振臣.電氣控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002.

[3]李道霖.電氣控制與PLC原理及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[4]秦憶.現代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢：華中理工大學出版社,1995.

[5]龍永輝,孫中生.MAC運動控制器手冊[J].工業(yè)控制計算機,2005(7):11- 12.

[6]吳曉君,楊向明.電氣控制與可編程控制器應用[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2004.

[7]G L BATTEN.Programmabe Controllers: hardware software and Application[M].New York:MC Graw-Hill,1994.

[8]李鴻儒.基于Modbus協議的PLC遠程控制[J].電子測試,2015(7):125- 126,8.

Positioning Control Design of Manipulator based on PLC

YAO Shixuan1,LI Lun1,ZHONG Chongquan2

(1.School of EMU Application & Maintenance Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.Insitute of Control Science and Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

According to the control of automatic lifting arm in the cleaning system of large parts, the PLC control platform is composed of a control unit, an actuator and a display platform. The working principle of the control system is introduced, the mathematical model of the manipulator is established, and the motion path of the control system is calculated and analyzed. PLC mainly control the movement of the manipulator, the control computer screen display large parts cleaning status information and operation control, the paper gives the system hardware circuit and software design. The system of mechanical lifting arm positioning accuracy is within 1 mm, and it can realize mechanical boom suspension coupler high-speed accurate load automatically cleaning room bolt and realize automatic operation.

motion control;orientation module;PLC

1673- 9590(2017)05- 0061- 04

A

2016- 07- 18

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAF20B02)

姚世選(1976-)，男，副教授，博士，主要從事計算機應用技術、智能傳感與機器人的研究 E-mail:ysx@djtu.edu.cn.