基于PLC和伺服電機(jī)的輸送站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來,傳統(tǒng)工業(yè)正逐步被各種各樣的自動(dòng)線取代。輸送站在自動(dòng)化生產(chǎn)線中起著聯(lián)系各個(gè)站點(diǎn),使站點(diǎn)之間能高效分工協(xié)作的作用,是自動(dòng)化生產(chǎn)線中的核心工作站。為了能使自動(dòng)化生產(chǎn)線平穩(wěn)工作,輸送站的機(jī)械手需精準(zhǔn)到達(dá)各個(gè)站點(diǎn)位置,因此對于機(jī)械手的定位控制就顯得極為重要。本文主要研究如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精準(zhǔn)回零,找到固定位置。

1機(jī)械手裝置結(jié)構(gòu)和工作過程

1.1結(jié)構(gòu)

輸送站機(jī)械手裝置主要由抓取機(jī)械手裝置、直線運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)組件、拖鏈裝置和PLC等部件組成。抓取機(jī)械手裝置安裝在直線運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)組件的滑動(dòng)溜板上,在傳動(dòng)組件帶動(dòng)下整體作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.2工作過程

驅(qū)動(dòng)抓取機(jī)械手精準(zhǔn)定位到指定站點(diǎn),進(jìn)行抓取和放下物料操作。為了方便闡述,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的控制流程,要求如下:

(1）按下按鈕開關(guān)SB1,機(jī)械手開始尋找原點(diǎn),歸零完成后指示燈HL1亮:

(2）按下按鈕開關(guān)SB2,機(jī)械手以100mm/S的速度運(yùn)行到600mm的位置,到位后延時(shí)3S,再返回原點(diǎn)。

只要實(shí)現(xiàn)了上述控制,要想驅(qū)動(dòng)機(jī)械手精準(zhǔn)定位到各個(gè)站點(diǎn),只要修改個(gè)別數(shù)據(jù)即可。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1PLC選型及I/O地址分配

由于需要輸出驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的高速脈沖,PLC應(yīng)采用晶體管輸出型。本文選用西門子S7-226PLC。根據(jù)控制要求進(jìn)行了以下I/O地址分配,如表1所示。

表1I/O地址分配表

2.2伺服控制器參數(shù)設(shè)置及接線

2.2.1參數(shù)設(shè)置

本文采用松下MHMD022GlU伺服電機(jī)和MADHT1507E伺服驅(qū)動(dòng)裝置,根據(jù)伺服電機(jī)手冊,設(shè)置參數(shù):Pr0.01,設(shè)置數(shù)值為"0":Pr0.02,設(shè)置數(shù)值為"1":Pr0.03,設(shè)置數(shù)值為"13":Pr0.04,設(shè)置數(shù)值為"250":Pr0.06,設(shè)置數(shù)值為"1":Pr0.07,設(shè)置數(shù)值為"3":Pr0.08,設(shè)置數(shù)值為"6000":Pr5.04,設(shè)置數(shù)值為"2":Pr5.28,設(shè)置數(shù)值為"1"。

2.2.2主要參數(shù)設(shè)置說明

Pr0.01是用來設(shè)置伺服電機(jī)的控制模式,本文設(shè)置的控制方式是位置控制,代碼為P,對應(yīng)的設(shè)定值為"0"。

Pr0.06與Pr0.07需組合使用,采用"1"和"3"組合的方式。指令脈沖形態(tài)用"脈沖序列＋符號",正方向用低電平驅(qū)動(dòng)。極性設(shè)定值為1,在上升沿時(shí)讀取脈沖序列。用PU1S2輸出到PLC,PLC依據(jù)收到的脈沖數(shù)來判斷機(jī)械手是否到位。用SIGN2輸出到PLC,進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)行方向的控制,低電平為正向,高電平為負(fù)向。

Pr0.08是設(shè)置伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的脈沖數(shù),設(shè)置為6000個(gè)脈沖。本文用到的直線運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)組件的同步輪齒距為5mm,共12個(gè)齒,旋轉(zhuǎn)一周為60mm。A5系列的伺服電機(jī),電機(jī)編碼器反饋脈沖為每圈2500個(gè)。缺省情況下,電子齒輪分-倍頻為4倍,可實(shí)現(xiàn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈向PLC輸出脈沖為10000個(gè)。為了方便計(jì)算,本文把指令脈沖電子齒輪分-倍頻設(shè)置為10000/6000,實(shí)現(xiàn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈,向PLC輸出6000個(gè)脈沖,驅(qū)動(dòng)機(jī)械手恰好移動(dòng)60mm的整數(shù)倍關(guān)系。這樣位置分辨率,即每1個(gè)指令脈沖的移動(dòng)量△M=60mm/6000=0.01mm,即100個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手走1mm。

2.2.3接線

根據(jù)硬件接線手冊,伺服電機(jī)簡化接線圖如圖1所示。

3程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)軟件使用STEP7-MicrowIN,實(shí)現(xiàn)控制的方法有兩種,一種是利用位置控制向?qū)?shí)現(xiàn),另一種是利用脈沖輸出指令庫MAP實(shí)現(xiàn)。位置控制向?qū)鄬?fù)雜,后期調(diào)試較困難。而脈沖輸出指令庫MAP控制方法簡單,調(diào)試方便,本文采用這種方法。

3.1脈沖輸出指令庫MAP

S7200系列的PLC本體PTo提供了應(yīng)用庫MAPSERV00.0和MAPSERV00.1,分別用于00.0和00.1的脈沖串輸出。本文用指令庫MAPSERV00.0進(jìn)行程序設(shè)計(jì),應(yīng)用該庫時(shí),一些輸入輸出點(diǎn)的功能被預(yù)先定義。在程序設(shè)計(jì)時(shí),這些輸入輸出點(diǎn)不能再作他用。輸出點(diǎn)00.0只能作為脈沖輸出,00.2作為方向輸出,分別接到伺服電機(jī)的PU1S2和SIGN2。輸入點(diǎn)I0.0只能作為參考點(diǎn)輸入,高速計(jì)數(shù)器只能使用HC0。

3.2程序設(shè)計(jì)步驟

第一步,調(diào)用000C一T1功能塊,如圖2所示。

Re1ocitySS是最小脈沖頻率,是加速過程的起點(diǎn)和減速過程的終點(diǎn)。此處設(shè)為脈沖2000個(gè)/S,依據(jù)前文算出的位置分辨率,△M=0.01mm,即電機(jī)最小速度為20mm/S。Re1ocityMax是最大脈沖頻率,此處設(shè)為脈沖10000個(gè)/S,即電機(jī)最大速度為100mm/S。在程序中其他地方設(shè)置的脈沖頻率要在這個(gè)范圍內(nèi),否則將會被Re1ocitySS或Re1ocityMax所取代。

acce1dectime是加減速時(shí)間,設(shè)為0.5S,即由最小速度加速到最大速度(或由最大速度減速到最小速度）所用時(shí)間為0.5S。

I0.1和I0.2分別是機(jī)械手傳送裝置的左限位保護(hù)開關(guān)和右限位保護(hù)開關(guān)。

第二步,用000Home功能塊尋找參考點(diǎn),如圖3所示。

在尋找過程的起始,電機(jī)首先以StartDir設(shè)定的方向,在本程序中M0.0為"0",以負(fù)方向?qū)ふ覅⒖键c(diǎn)(M0.0為"1",以正方向?qū)ふ覅⒖键c(diǎn)）。本文涉及的傳輸裝置機(jī)械手一般位于參考點(diǎn)的正方向上,故采用負(fù)方向?qū)ふ覅⒖键c(diǎn),即M0.0設(shè)置為"0"。尋找參考點(diǎn)時(shí),以HomingFaStSpd的速度開始尋找,HomingFaStSpd默認(rèn)值=Re1ocityMax/2=5000,即電機(jī)速度為50mm/S。在碰到1imitSwitch("Fwd1imit"or"Tev1imit"）后,即左限位保護(hù)開關(guān)I0.1和右限位保護(hù)開關(guān)I0.2減速至停止,然后開始反方向?qū)ふ摇?

當(dāng)檢測到參考點(diǎn)開關(guān)I0.0的上升沿時(shí),減速到"HomingS1owSpd"。HomingS1owSpd的默認(rèn)值=Re1ocitySS=2000,即電機(jī)速度為20mm/S。如果此時(shí)的方向與"Fina1Dir"(尋找參考點(diǎn)過程中的最后方向）相同,在檢測到參考點(diǎn)開關(guān)下降沿時(shí)停止運(yùn)動(dòng),將計(jì)數(shù)器HC0的計(jì)數(shù)值設(shè)為"PoSition"中所定義的值,本文為"0"。如果當(dāng)前方向與"Fina1Dir"不同,則改變運(yùn)動(dòng)方向,這樣就可以保證參考點(diǎn)始終在參考點(diǎn)開關(guān)的同一側(cè)(具體是哪一側(cè)取決于"Fina1Dir"）。本文設(shè)置為參考點(diǎn)的右側(cè),所以電機(jī)在尋找參考點(diǎn)過程中的最后方向是負(fù)方向,"Fina1Dir"的標(biāo)志位相對地址＋R0.2應(yīng)該設(shè)置為"0"。

第三步,調(diào)用0001oadPoS功能塊。由于第二步找到的參考點(diǎn)位置與實(shí)際控制要求的參考點(diǎn)有一定的偏差,在本控制系統(tǒng)中偏差值為＋15mm,為了清晰地定義絕對位置,必須重新尋找參考點(diǎn),使得原參考點(diǎn)失效。本文中15mm對應(yīng)的脈沖數(shù)為1500個(gè),因此"NewPoS"設(shè)置為"1500",如圖4所示,用于將當(dāng)前位置的絕對位置設(shè)置為預(yù)置值。

第四步,調(diào)用000MoveAbSolUte功能塊,讓電機(jī)以指定的速度100mm/S運(yùn)動(dòng)到指定的絕對位置600mm處,如圖5所示。延時(shí)3S,再返回原點(diǎn),如圖6所示。

4結(jié)語

基于PLC和伺服電機(jī)控制的輸送站系統(tǒng),可以使輸送站在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的各個(gè)站點(diǎn)精準(zhǔn)定位,使自動(dòng)化生產(chǎn)線上的加工、裝配、分檢等站點(diǎn)連成一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化操作,提高生產(chǎn)效率,改善勞動(dòng)條件。該控制系統(tǒng)用MAP指令庫編程,方法簡單,檢修和維護(hù)方便,可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。