李守軍，吳俊亮，王志銘，鄭水林

（1.宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇宿遷223800；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引言

培育“卓越工程師”型應(yīng)用技術(shù)人才是“新工科”背景下對(duì)本科人才培養(yǎng)的迫切要求[1]。在中國(guó)制造2025和互聯(lián)網(wǎng)+對(duì)智能制造的推動(dòng)作用下，工業(yè)自動(dòng)化節(jié)奏越來(lái)越快，柔性越來(lái)越強(qiáng)，傳統(tǒng)的單一自動(dòng)化不再滿(mǎn)足工業(yè)社會(huì)快速發(fā)展的要求[2-3]。為此，針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)+競(jìng)賽和工業(yè)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)快速構(gòu)型的實(shí)際需求[4]，研發(fā)了一套具有快速成型的微型自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，充分利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件與元器件，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速成型，自動(dòng)化系統(tǒng)快速構(gòu)建，搭配工業(yè)控制組態(tài)軟件，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)模塊化自由組合，構(gòu)建出符合需求的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。本文將從處于微生產(chǎn)線(xiàn)始端的供盒伺服子系統(tǒng)的成型構(gòu)建與自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，給出機(jī)械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)的實(shí)施方案。

1 供盒系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)與系統(tǒng)裝配

供盒子系統(tǒng)位于供料自動(dòng)化系統(tǒng)的首端，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，包括伺服電機(jī)、PLC、同步帶、絲杠、計(jì)算機(jī)、組態(tài)王等硬件與軟件設(shè)備，采用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材支架，實(shí)現(xiàn)快速安裝構(gòu)型，并由PVC透明亞克力板遮罩和元件固定，如圖1所示。

圖1 微生產(chǎn)線(xiàn)供盒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)物對(duì)照

1.1 供盒系統(tǒng)構(gòu)型所需主要設(shè)備

供盒系統(tǒng)構(gòu)型所需主要設(shè)備如下。

（1） 伺 服 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器：無(wú) 錫 信 捷XINJE DS3L-20P7-PF7型220 V，0.75 kW驅(qū)動(dòng)器，自帶脈沖型兼容省線(xiàn)正交編碼器。

（2）伺服電機(jī)：信捷MS-80STE-M02430B-20P7型號(hào)電機(jī)，功率0.75 kW，轉(zhuǎn)矩2.39 N·m，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，防護(hù)等級(jí)IP65。

（3）電磁閥：天啟氣動(dòng)XINDE DC24V 4.8 W，電壓范圍DC21.6～26.4 V，壓力范圍：0.15～0.8 MPa。

（4）接近開(kāi)關(guān)：歐姆龍PNP型TL-Q5MC2-Z PROX?IMITY SWITCH。

（5）同步齒形帶：導(dǎo)程74 mm，行程1 200 mm。

（6）升降絲杠：導(dǎo)程10 mm，行程800 mm。

（7）西門(mén)子Smart S7-200 SR30 PLC。

除此之外，還有亞克力板材、堅(jiān)固螺絲、小型控制箱、線(xiàn)材等輔助設(shè)備。

1.2 微生產(chǎn)線(xiàn)供盒子系統(tǒng)快速構(gòu)型

互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)企業(yè)對(duì)設(shè)備要求快速構(gòu)型，在給定的方案下，基于選定的標(biāo)準(zhǔn)件與元器件實(shí)現(xiàn)快速裝配，具體步驟如下。

（1）供料盒子倉(cāng)庫(kù)組裝。將支撐框架放在第1位進(jìn)行組裝；框架組裝時(shí)，保證豎直水平向穩(wěn)定性；支撐框架組裝完成后，進(jìn)行齒形帶導(dǎo)軌組裝，要保證與箱體的垂直；組裝完成后，務(wù)必進(jìn)行壓力測(cè)試。

（2）執(zhí)行單元組裝。伺服電機(jī)與絲杠連接時(shí)要保證垂直度；伺服電機(jī)通過(guò)連軸器連接齒輪，驅(qū)動(dòng)同步齒形帶；氣爪需要掛在導(dǎo)軌上，由同步帶驅(qū)動(dòng)。

（3）氣動(dòng)、電動(dòng)單元連接或接線(xiàn)。電磁閥需要固定在支架上；電磁閥與節(jié)流閥、溢流閥、氣泵、氣爪之間通過(guò)氣管進(jìn)行連接；電磁閥線(xiàn)圈接到接線(xiàn)端子上去；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源線(xiàn)與編碼器分兩路鋪設(shè)、分別接到伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入、輸出端子上。

2 供盒系統(tǒng)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)微生產(chǎn)線(xiàn)供盒子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與控制工藝分析的基礎(chǔ)上，研究電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[5]。將可靠高效作為設(shè)計(jì)總的指導(dǎo)原則，并將易于升級(jí)優(yōu)化作為設(shè)計(jì)方向[6]。

2.1 控制系統(tǒng)硬件配置與原理

進(jìn)行原理圖繪制并選擇合適元器件，系統(tǒng)電控原理如圖2所示。選擇了性?xún)r(jià)比較高的S7-200 SMART SR30 PLC、歐姆龍繼電器、MCGS觸摸屏6061TI，2臺(tái)XINJE DS3L-20P7-PF7型0.75 kW伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，及天啟氣動(dòng)XINDE DC24V規(guī)格的2位5通電磁閥組?？紤]位置檢測(cè)不能接觸的特點(diǎn)，選擇了歐姆龍對(duì)射式接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)距離遠(yuǎn)（小于或等于1.5 m）且靈敏度高。PLC與觸摸屏通過(guò)交換機(jī)建立連接。

圖2 微生產(chǎn)線(xiàn)供盒子系統(tǒng)電控原理

2.2 PLC端子I/O分配表

在PLC編程時(shí)，需要根據(jù)圖2所示系統(tǒng)電控原理定義出信號(hào)I/O變量表，如表1所示。

表1 設(shè)備與PLC之間的I/O分配表

3 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試

3.1 微生產(chǎn)線(xiàn)供盒伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工藝流程

供料盒子位于升降絲杠所連接的立體平臺(tái)上，根據(jù)微生產(chǎn)線(xiàn)反饋信號(hào)決定是否執(zhí)行供盒動(dòng)作。若微生產(chǎn)線(xiàn)首個(gè)工位處于空閑狀態(tài)，則啟動(dòng)供盒操作，工藝流程如圖3所示。

圖3 微生產(chǎn)線(xiàn)供盒伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工藝流程

3.2 自動(dòng)控制參數(shù)整定過(guò)程

為實(shí)現(xiàn)升降絲杠、同步齒形帶高精度的自動(dòng)控制，首要工作是進(jìn)行參數(shù)整定以消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤差、裝配誤差[7]，仔細(xì)觀(guān)察供盒子系統(tǒng)沿每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，記錄相關(guān)參數(shù)，在調(diào)試的過(guò)程中，采用半步執(zhí)行與多步串聯(lián)執(zhí)行相接合的方法[8]。整定過(guò)程具體如下。

步驟1：?jiǎn)?dòng)氣體壓力泵，調(diào)節(jié)壓力到0.4 MPa。

步驟2：手動(dòng)按壓電磁閥的測(cè)試按鈕，觀(guān)察電磁閥的工作狀態(tài)。測(cè)試氣路連接是否正確，氣爪是否能夠夾緊。

步驟3：手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲杠到原點(diǎn)，觀(guān)察絲杠下限位開(kāi)關(guān)是否觸發(fā)，及PLC輸入IO燈的點(diǎn)亮情況。

步驟4：將備料盒置于絲杠托盤(pán)上，觀(guān)察備料盒是否觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作，PLC輸入點(diǎn)是否點(diǎn)亮。

步驟5：手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲杠到上限位，觀(guān)察絲杠上限位開(kāi)關(guān)是否觸發(fā)及PLC輸入IO燈的點(diǎn)亮情況。

步驟6：手動(dòng)接動(dòng)同步齒形帶，分別縮回到原點(diǎn)、伸出到極限點(diǎn)，觀(guān)察齒形帶縮回位置、齒形帶伸出位置對(duì)應(yīng)的PLC指示燈是否點(diǎn)亮。

步驟7：編寫(xiě)PLC Q 0.0脈沖輸出與計(jì)數(shù)程序，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)到下限位停下來(lái)。

Q0.0輸出高速脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)絲杠升降的伺服電機(jī)，配合方向信號(hào)Q0.2以控制絲杠的上升和下降。編程軟件Smart Step7給出了快速調(diào)試助手，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)[9]，具體方法如下。

（1）從Step7工具菜單打開(kāi)“位置控制向?qū)А薄?/p>

（2）配置Step 7 PLC內(nèi)置PTO/PWM操作。PLC提供Q0.0、Q0.1共2個(gè)高速脈沖輸出端口，可用其輸出的脈沖驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，配置為PTO/PWM操作。對(duì)于每個(gè)輸出端口，需要單獨(dú)配置。

（3）指定脈沖發(fā)生器。對(duì)于PLC的2個(gè)脈沖發(fā)生器：Q0.0用于驅(qū)動(dòng)絲杠升降的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；Q0.1用于驅(qū)動(dòng)齒形帶伸縮的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。與第（2）步類(lèi)似，對(duì)于每個(gè)脈沖發(fā)生器需要單獨(dú)配置。

（4）配置為線(xiàn)性脈沖輸出（PTO）。將脈沖發(fā)生器配置為線(xiàn)性脈沖輸出（PTO），提供一個(gè)占空比為50%的方波輸出。如圖4所示。

圖4 脈沖發(fā)生器的配置選擇

（5）指定伺服電機(jī)速度。通過(guò)位置向?qū)渲么隧?xiàng)目中最高電機(jī)速度MAX_SPEED（單位：脈沖/s），向?qū)⒏鶕?jù)所配置的最高速度數(shù)值，確定出運(yùn)動(dòng)包絡(luò)中的最低電機(jī)速度MIN_SPEED（單位：脈沖/s）。然后，指定電機(jī)啟動(dòng)/停止速度SS_SPEED（單位：脈沖/s）。如圖5所示。

圖5 伺服電機(jī)速度配置

通過(guò)以上（1）~（5）的配置，生成PTO0_CTRL、PTO0_MAN兩個(gè)子程序，直接調(diào)用他們即可進(jìn)行手動(dòng)控制。PLC梯形圖網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 伺服電機(jī)位置控制調(diào)試用梯形圖

3.3 控制精度分析

定位精度包括升降絲杠和同步齒形帶2個(gè)對(duì)象的位置精度。在分析位置精度時(shí)，需要轉(zhuǎn)換成與脈沖成正比的脈沖數(shù)量與位置之間的關(guān)系。通過(guò)脈沖計(jì)算得到的位移稱(chēng)為計(jì)算位移，通過(guò)柵尺測(cè)量得到的位移為實(shí)際位移。編程使PLC Q0.0分別輸出0、1 000、5 000、10 000、50 000、100 000、500 000、1 000 000等脈沖數(shù)量，驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)托盤(pán)產(chǎn)生位移，進(jìn)行比較分析如圖7所示。可以得出，計(jì)算位移與測(cè)量位移之間的誤差極小，絕對(duì)誤差小于1.5個(gè)脈沖，相對(duì)誤差僅為0.003%，隨著位置的變化，誤差雖然產(chǎn)生少量波動(dòng)，但整體變化平緩，在整個(gè)行程區(qū)間內(nèi)位置的變化與機(jī)械機(jī)構(gòu)配合較理想。

圖7 控制精度分析

由此可見(jiàn)，參數(shù)整定精度較高，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的自動(dòng)控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了在互聯(lián)網(wǎng)+與工業(yè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品快速構(gòu)型的大背景下，開(kāi)發(fā)了微生產(chǎn)線(xiàn)，并采用標(biāo)準(zhǔn)件與元器件快速配置得到生產(chǎn)線(xiàn)始端的供盒子系統(tǒng)，提出了設(shè)備配置與構(gòu)型步驟。

采用具有RJ45端口即支持以太網(wǎng)總線(xiàn)的西門(mén)子SMART SR30 PLC設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的電控伺服系統(tǒng)，既滿(mǎn)足了系統(tǒng)快速組網(wǎng)的需求，又實(shí)現(xiàn)了伺服動(dòng)作的柔性支持。

軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了Step7軟件的位置控制調(diào)試功能，給出了自動(dòng)控制關(guān)鍵位置參數(shù)的整定過(guò)程；并通過(guò)實(shí)際程序驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠動(dòng)作，驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制精度。