基于PLC和伺服電機(jī)的剪刀叉升降臺控制系統(tǒng)設(shè)計

引言

應(yīng)公司項目要求,需要設(shè)計一套在平臺表面負(fù)載有變化的條件下,使剪刀叉結(jié)構(gòu)的升降臺能勻速升降的方案。公司因已有一套基本的剪刀叉裝置,為了不再增加機(jī)械結(jié)構(gòu),所以這次不考慮機(jī)械式恒轉(zhuǎn)矩勻速升降臺方案。本文采用PLC和伺服電機(jī)的組合來滿足控制要求,最終設(shè)計的升降臺設(shè)備如圖1所示。

圖1升降臺三維圖

1系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)介紹分兩個方面,一是控制設(shè)備組成,二是控制原理。

1.1控制設(shè)備組成

系統(tǒng)選擇匯川PLCAC801作為控制器,AC801智能機(jī)械可編程控制器采用書本式全金屬機(jī)身,可提供豐富的網(wǎng)絡(luò)接口來滿足各種項目的擴(kuò)展需求,具備強(qiáng)悍的運(yùn)動控制性能,擁有卓越的運(yùn)算能力,適合高負(fù)荷運(yùn)算應(yīng)用。

圖1底部是電機(jī)轉(zhuǎn)動絲桿的結(jié)構(gòu),電機(jī)驅(qū)動選用匯川1s810N-1NT系列標(biāo)準(zhǔn)型多機(jī)傳動伺服,采用米蘭研發(fā)中心的底層算法平臺,滿足行業(yè)設(shè)備的性能、功能、體積、安全、耐環(huán)境性等需求,通過EtherCAT協(xié)議與PLC通信。

采用工控機(jī)作為上位機(jī),實(shí)時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),監(jiān)控和操作畫面通過組態(tài)軟件自由編制。另外還有數(shù)據(jù)采集和處理功能,采集的大量數(shù)據(jù)儲存在本地硬盤,可以表格形式查看,數(shù)據(jù)表格上有對應(yīng)的序號和時間,查詢方便。工控機(jī)通過MoDBUsTCP協(xié)議與PLC進(jìn)行通信。

四個高度測量傳感器安裝在平臺四個角,用來監(jiān)控平臺高度變化,傳感器通過Rs485協(xié)議與PLC通信,工控機(jī)通過PLC也能讀取高度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)組成整體框架圖如圖2所示。

1.2控制原理

首先,設(shè)備動力來自伺服電機(jī),通過絲桿帶動一邊活動的剪刀臂移動,然后PLC程序準(zhǔn)確控制伺服電機(jī)做水平變速運(yùn)動,使平臺在垂直方向勻速運(yùn)動。這一過程中伺服的速度參數(shù)是PLC根據(jù)設(shè)定好的計算公式實(shí)時改變的,目前速度控制變化周期在幾十毫秒左右。計算公式需要的機(jī)構(gòu)尺寸標(biāo)注如圖3所示。

具體的公式通過剪叉機(jī)構(gòu)計算與虛位移原理可以得出:

后面進(jìn)行公式推理,對位移求導(dǎo)就是速度參數(shù),得到公式:

Vx是水平速度,也是伺服電機(jī)的速度,需要通過計算得到。Vy是平臺速度設(shè)定值,a是伺服水平位置,最低點(diǎn)為原點(diǎn),位置為0,B是最低點(diǎn)時兩端點(diǎn)的距離。對比公式(3)(4),再通過勾股定理可得:

將式(5)以梯形圖形式寫入PLC中,PLC啟動程序控制伺服運(yùn)行,Vx速度實(shí)時變化。

2系統(tǒng)程序設(shè)計

升降臺系統(tǒng)的程序設(shè)計主要包含PLC控制程序設(shè)計和工控機(jī)程序設(shè)計。

2.1PLC控制程序設(shè)計

本項目使用匯川PLC軟件InoProshop來編寫程序,主要用梯形圖編程,少數(shù)地方用sT語言。程序內(nèi)容主要有伺服控制、手動控制、自動控制、傳感器通信、工控機(jī)通信、設(shè)備報警提示等,如圖4所示。

2.2工控機(jī)程序設(shè)計

在工控機(jī)上有可視畫面,能對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、操作、數(shù)據(jù)采集,如圖5所示。

在操作頁面上有主頁面畫面,可以切換操作模式,在自動模式下能自動循環(huán)升降,可以查看當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài):有手動操作畫面,可以對伺服點(diǎn)動和單動:有自動參數(shù)畫面,可以設(shè)置伺服參數(shù):有報警界面,出現(xiàn)故障時可以在此查看。在平臺自動運(yùn)行過程中,工控機(jī)會記錄傳感器高度值、伺服位置及伺服扭矩值。

3運(yùn)行結(jié)果分析

在設(shè)備運(yùn)行一段時間后,從工控機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù),截取一段完整的從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的數(shù)據(jù),包含四組高度數(shù)據(jù)和一組伺服位置,如表1所示。

本文就以高度1和伺服位置為例,來制作曲線圖。為了能直觀展現(xiàn),需要排除不必要的數(shù)據(jù),因此除去了頭尾加減速段的數(shù)據(jù),只看勻速段的數(shù)據(jù),故采用從序號3到20的數(shù)據(jù)。另外數(shù)據(jù)采集時,2個采集點(diǎn)的時間是相等的。利用wPs表格生成曲線圖如圖6、圖7所示。

由圖6可知,平臺高度在均勻增加,說明垂直方向在做近似勻速運(yùn)動。至于為什么不是筆直的斜線,則是因?yàn)榇嬖谠O(shè)備測量誤差、機(jī)械間隙等影響因素。圖7顯示的伺服位置提升越來越快,說明水平方向速度越來越快。圖7的曲線相比圖6看起來更加順滑,可能是因?yàn)樗欧恢脭?shù)據(jù)是讀取驅(qū)動內(nèi)部的參數(shù),伺服運(yùn)行是平滑的。由此得出結(jié)論,該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)剪刀叉升降平臺的勻速運(yùn)動。

4結(jié)語

本文設(shè)計的剪刀叉升降臺控制系統(tǒng)是在匯川PLC、伺服等硬件基礎(chǔ)上,通過控制電機(jī)速度實(shí)時變化來實(shí)現(xiàn)平臺勻速運(yùn)行的功能,然后再用數(shù)據(jù)來驗(yàn)證是否勻速,確認(rèn)結(jié)果。在項目實(shí)施中發(fā)現(xiàn)不少地方仍能優(yōu)化,比如伺服控制上還能提高速度變化頻率,PLC性能沒有充分發(fā)揮;部分梯形圖可以轉(zhuǎn)化成sT語言,提高程序運(yùn)行速度;可以增加工控機(jī)數(shù)據(jù)采集樣本,這樣數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。目前這個升降平臺設(shè)備將安裝在汽車換電站設(shè)備上,用于取放汽車上的電池。希望這種控制系統(tǒng)能夠越來越可靠,在自動化行業(yè)中發(fā)揮更重要的作用。