基于PLC和交流伺服系统的FMS加工站输送系统.pdf

第 2 期 总第 1 8 3期 2 0 1 4年 0 4月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NE ERI NG ＆ AUT MATI N NO．2 Apr ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 2 0 1 6 2 0 2 基于 P L C和交流伺服系统的 F MS加工站输送系统 孙 松 丽 ，殷 劲松 南京理 工大 学 泰州科技学院 机械 工程 学院，江 苏 泰州 2 2 5 3 0 0 摘 要通过西门子 S 7 2 0 0系列 P L C高速脉冲输 出方式配合 由森创交流伺服 电机 及交流伺服驱 动器组成 的交 流伺服 系统 。实现 了Ka wa s a k i 工业机器人的多点定位控 制及在 不 同位置 的抓 取工件控 制。满足 了加工站输 送 系统 的要求。本系统成功应用于本校教学型柔性制造系统．运行 可靠。效果 良好 。 关键词 S 7 2 0 0 ；交流伺服 系统 ；工业机器 人；多点定位控制；输送系统 中图分类号 TP 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 南京理工大学泰州科技学院机械工程学院为提升 机械工程及 自动化、 机械电子等专业实验实训课效果 ， 自行 设 计 开 发 了 教 学 型 柔 性 制 造 系统 F MS ， 即 F l e x i b l e Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m 。该系统 以工业 生产 型柔性制造系统为设计蓝本 ， 主要 由原料库站、 移动小 车站、 分拣站 、 加工站 、 颜色检测站、 零件库站、 废品库 站等分站组成 ， 通过 P L C控制与现场总线组态 ， 实 现 原料出库、 材料检测、 分拣、 加工、 喷漆烘干、 颜色检测 、 废品入库、 零件入库等整个生产过程的 自动控制与组 态 。加工站为整个系统的重要组成部分 ， 主要包括数 控机床 完成工件的加工 、 后期处理箱 完成工件的喷 漆烘干 、 输送系统 完成工件在输送线 、 数控机床和后 期处理箱之间的转移 等硬件设备。本文在简介教学 型 F MS加工站输送系统结构组成和控制要求的基础 上 ， 着重 阐述加工站输送系统控制部分的设计。 1 加工 站输 送 系统 图 1为加工站主体结构示意图。工业机器人 、 交 流伺服电机、 工作台、 导轨副 、 滚珠丝杠、 支架是加工站 输送系统的主要组成部件 ， 控制按钮 、 P L C主控单元、 伺服驱动器等电控器件均安装在电控柜内。 加工站输送 系统工作流程如下 传送带有待加工 工件一工业机器人前行至第一定位点一工业机器人从 传送带抓取工件送人数控机床一 机床开始加工 一加 工完毕一工业机器人从机床内取工件一工业机器人夹 持工件前行至第 二定位点一工业机器人将工件送人后 期处理箱一 处理箱进行喷漆烘干 一处理完毕一工业 机器人从烘箱内取工件并放至传送带上一工业机器人 复位至原点 。上述工作流程为输送系统单一循环的完 整过程 。此外 ， 为提高生产效率， 综合考虑机床、 后期 处理箱及传送带工况 ， 可实现工业机器人在原点、 数控 机床、 后期处理箱之间循环移动取放工件。 lU 1 一传送带 ； 2 --待加工工件 } 3 一工业机器人 ； 4 --交流伺服电机 ； 5 一工作台 ； 6 --数 控机床 l 7 --后期处理箱； 8 一导轨副 } 9 一滚 珠丝杠螺母副 ； 1 0 一支架 图 1 加工站主体结构 示意图 2 基本 控 制 系统 本控制系统需完成的主要控制功能有 ①工业机 器人多点定位控制 ； ②工业机器人在不同定位点实现 不 同抓取动作 的控制。 为完成 上 述 控 制 要 求 ， 主 控 单 元 选 用 西 门 子 S 7 2 0 0系列 C P U2 2 6 D c ／ Dc ／ D C 型 P L C， 驱动工作 台运行 的伺 服电机 为森创 8 0 C B - 7 5 C交 流伺服 电机 自带 2 5 0 0线编码器 ， 配套选用森创 MS 一 0 0 2 0 A型全 数字交流伺服驱 动器， 工件 的抓 取运送 由 Ka w a s a k i J I l 崎工业机器 人完成 。其 中， 森创 8 0 C B - 7 5 C型交流 伺服电机的额定输 出功率为 7 5 0 W、 电机转子惯量为 1 ． O 3 N m， 额定转速为3 0 0 0 r ／ mi n ； 森创 MS ． 0 0 2 0 A 伺服驱动器采用 D S P全数字控制方式，6 种脉冲输入 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 2 9 ；修 回日期 2 0 1 3 0 9 2 9 作者简介 孙松丽 1 9 7 5 一 ，女 ，山东莱州人 ，高级 工程师 ，本科，主要从 事机 电一体化 、机电控制系统方 面的研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 2期 孙松 丽． 等 基 于 P I C和 交流伺服 系统 的 F MS加 工站输送 系统 1 6 3 方式 ， 编码器反馈脉冲可分频输 出并具有键盘及 L E D 数码管显示功能 。 2 ． 1 多点 定位控 制 图 2为多点定位示意图。按照控制要求 ， 带动工 业机器人 的工作台需在原点、 第一定位点 A、 第二定位 点 B之间往复运行。根据运行特点和规律 ， 本定位控 制采用相对定位方式 ， 即将 下一定位点相对于当前位 置的距离作为运行位移量。 极 限 原 点 定位 I l定位 极 限 1 一交流伺服 电机 ； 2 一联轴器 ； 3 一滚珠丝杠 ； 4 一工作台 ； 5 --轴承 图 2定位点示意 图 西门子 C P U2 2 6两个 高速脉 冲输 出 口可分 别工 作在 P TO 脉冲串输出 和 P WM 脉宽调制 状态 下。 在 P TO方式中， P L C可生成一个 5 O 占空 比脉冲串， 用于步进电机或伺服电机的速度和位置的控制 。本定 位控制 即采用 P T O高速脉 冲输 出下的位置控制方式 实现 设置伺服驱动器工作于位置脉冲运行模式 参数 F 0 0 2 ， 通过 接 收 C P U2 2 6 QO ． 0 或 Q o ． 1 输 出 口发 送的高速脉 冲串和 QO ． 2 或 QO ． 3 发送 的方向电平信 号 ， 实现工作台运行距离 由脉冲数决定 和运行方 向 的控制 。 实现工作台多点定位控制 的关键点包括 ①点与 点之间运行距离所对应 的脉 冲数应精确； ②至下一运 行点所对应的脉冲数写 入状态控制字应及时； ③方 向 控制位改变设定应及时准确。其 中， 第一点精确脉冲 数的确定方法是 完成编码器 A、 B相反馈脉 冲接至 C P U2 2 6 输入端 口的硬件接线 ， 利用 C P U2 2 6的高速 计数器 如 HS C 0 ， 读取并记录状态字 HC O的初始值 和终止值 ， 两值之差即为起始点 与终止点距离所 对应 的脉冲数。另外两个关键点的控制则通过软件编程实 现 ， 可采用高速计数器在中断模式下写入 计数到则中 断 ， 也可通过软件编程设置定位点标志位 ， 在工 作台 到达定位点时执行写入指令 ， 输入新 的脉冲计数值 和 方向控制位。 2 ． 2工业机 器人 搬运 工件 控 制 根据整个输送 系统 的控制要求 ， 工业机器人需要 在定位点 A、 B各执行两次不同的取放工件的动作 ， 共 计 4次 ， 4次动作轨迹均不相同。本设计通过工业机 器人的示教模式完成 4段程序的编制， 并通过编程分 配激活 4段程序所需的 l ／ O端 口。I口位于工业机器 人控制柜内的 C N4连接器上， 4个 I 口分别与 P L C的 4个输 出端 口连接， 见表 1 。 在实 际运 行 中， 工业 机器人转为再现运行 模式。 在再现运行模式下 ， 不 同的抓取动作需执行不 同的程 序 ， 通过 P L C向其对应的输出 口发送一上升沿脉冲即 可完成程序 的启动 。如 ， 需要工业机器人完成“ 将工件 放至 后 期 处 理 箱 内” 动 作 ， 则 在 P L C 程 序 中短 时 O ． 3 S～O ． 5 s 置位 Q1 ． 3为 1即可 若置位 时间过 长 ， 工业机器人将反复执行 当前程序 ， 产生误操作 。 表 l 工业机器人 与主控 P L C端 口对应说 明 工业机器人控制柜 C P U2 2 6 程序编号 完成 工作 内容 C N4连接器端口 P L C输 出端 口 从传送带取待加 工工件 1 I N2 4 Q1 ．1 并放至数控机床 内 2 从数控机 床内取工 件 I N2 6 Q1 ． 2 将工件放 至后期 3 I N2 8 Q1 ．3 处 理箱 内 从后期处理箱 内取 工 4 I N3 O Q1 ．4 件并放 至传送带上 2 ． 3控制 系统硬 件设 计 本设计硬件图见 图 3 。图 中的 R 。 ～R 为限流电 阻， 阻值均为 2 k Q。 ’ 图 3 硬 件接 线示意图 2 ． 4控制 系统软 件设 计 本设计控制程序由主程序 以及 5个子程序组成。 5个子程序分别为初始化子程序 、 电机前行子程序 、 电 机复位子程序 、 手动子程序、 自动子程序和中断子程 序 。部分程序如下 1 初始化子程序 LD SM 0 ． 0 MOVB 1 6F8，S M B3 7 ／ ／ 高速计数器设置 ， S MB 3 7为 HS C 0计数器 的控制字节 H DEF 0．9 ／ ／ 定义 HS C 0计数器为模式 9 M oVD 0，S M D3 8 ATCH I NT一0 I NTO，l 2 ENI H S C 0 ／ ／ 激活高速计数器 0 M0VB 1 685 ，SMB6 7 ／ ／ 设置 P T O控制字 M0VW 5 0 0。S MW 6 8 ／ ／ 脉冲周期为 5 0 0*1 ／ s ／ 格 0 ． 5 ms ， 对应转速为 3 0 0 r ／ mi n M 0VD 0。VD2 0 0 S方向输出 Q0 ． 2 ，1 下转第 1 6 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年第 2期 4结 语 本文设计的移动教学机器人通过最后的实验实现 了避障、 巡线 、 抓取等功能 ， 证实 了方案 的可行性 和合 理性 ， 并且在之后的大学生机器人兴趣小组上进行 了 详实的教学 ， 极大地提高了学生对于机械、 电子和 自动 控制等多门机器人相关课程的认识及动手能力 。 参考文献 E l l 梁明亮 ， 赵成． 基 于嵌入式技术 的四轮驱动教育机 器人设 计E J 3 ． 实验室技术与管理 ， 2 0 1 2 ， 2 9 1 1 8 2 8 6 ． [ 2 3 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 3 陈义平 ， 时颖 。 袁 明明． 多功能 教学用 机器 人的设 计与 实 现[ J ] ． 实验室研究与探索， 2 0 1 3 ， 3 2 2 8 4 8 7 ． 肖晓萍 ， 廖青 ， 李 自胜． 基 于机 器人实 验教学 平 台的研制 [ J ] ． 机电产品开发与创新， 2 0 0 8 ， 2 1 4 1 9 - 2 1 ． 卢伟宏 ， 王海波 ， 孟 庆鑫． 一种 教学机 器人控 制系统 研发 [ J ] ． 吉林化工学院学报 。 2 0 0 9 ． 2 6 4 6 5 6 9 ． 许立成． 在计算 机教学 中引入智 能机 器人教学 平 台的研 究[ J ] ． 电脑与信息 ， 2 0 1 1 5 2 2 2 2 2 3 ． A M o b i l e Ro b o t De s i g n f o r Und e r g r a d u a t e Te a c hi n g CHE N Zh e n - y u ，QI AN Hu a S c h o o l o f Te c h n o l o g y ，B e ij i n g F o r e s t r y Un i v e r s i t y ，B e ij i n g 1 0 0 0 3 5 ，C h i n a Ab s t r a c t A mo b i l e r o b o t p l a t f o r m f o r t e a c h i n g a n d c o mp e t i t i o n i s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d ．Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n o f t h e mo b i l e r o b o t ，i n c l u d i n g t h e me c h a n i c a l s t r u c t u r e a n d t h e c o n t r o l s y s t e m．Th e e x p e r i me n t r e s u l t s s h o w t h e d e s i g n i s f e a s i b l e ，a n d t h e f u n c t i o n s o f a v o i d i n g o b s t a c l e s a n d s e i z i n g t h e t a r g e t a r e a c h i e v e d ． Ke y wo r d s t e a c h i n g r o b o t s ；wh e e l a n d a r m ；AVR ；d e s i g n 上接 第 1 6 3页 2 电机前行子程序 LD S M 0． 0 I PS A T3 7 EU S M 1 ． 0。1 LRD S S M 6 7 ． 7。1 LRD M 0VD VD2 0 0．S M D7 2 ／ ／ 将 V D2 0 0中存放 的脉冲 个数写入 S MD 7 2控制字 ， 控 制电机 前 行距离 LPP R QO ． 2，1 LD M 1 ． 0 EU P LS 0 LDN S M 6 6 ． 7 ED R M 1 ． 0．1 3结束语 本控制系统经反复运行验证， 可实现加工站输送 系统手动单循环、 自动多循环的运行控制。本输送系 统 的创新之处在于采用交流伺服系统实现工业机器人 的多点精确定位， 同时将工业机器人作为工件运送 机 构而非普通的机械手。实际应用 中， 通过对工业机器 人 的编程控制， 可 自由地实现机器人移送工件的速度 控制、 移送轨迹调整等， 满足了实践教学要求 。 参考文献 [ 1 3 蔡行健． 深入浅出西门子 S 7 2 0 0 P L c [ M] ． 第 2版． 北京 北京航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 3 高安邦 ． 田敏 ， 俞宁 。 等． 西门子 S 7 2 0 0 P L C工程应 用设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 1 1 ． ’ [ 3 ] 王翔． S 7 2 0 0 P L C在数字伺 服电机控 制中 的应 用[ J ] ．自 动化技术与应用 ． 2 0 0 6 6 2 9 3 1 ， 5 3 ． FM S Pr o c e s s i n g S t a t i o n De l i v e r y S y s t e m Ba s e d o n PLC a n d AC S e r v o S y s t e m S UN S o n g - l i ，YI N J i n g - s o n g Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g S e h o o I ，T a i z h o u I n s t i t u t e o f S c i e n c e＆ ． Te c h n o l o g y ，N J US T， Ta i z h o u 2 2 5 3 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t By u s e o f t h e AC s e r v o s y s t e m c o n s i s t i n g o f S i e me n s S 7 2 0 0 s e r i e s P L C wi t h h i g h - s p e e d p u l s e o u t p u t mo d e a n d S y n t r o n AC s e r v o mo t o r a n d AC s e r v o d r i v e r ，a mu l t i p o i n t p o s i t i o n i n g c o n t r o l a n d g r a b b i n g c o n t r o l i n d i f f e r e n t l o c a t i o n s o f t h e Ka wa s a k i i n d u s t r i a l r o bo t wa s a c h i e v e d，wh i c h c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p r o c e s s i n g s t a t i o n d e l i v e r y s y s t e m． Th e s y s t e m h a s b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t O t h e t e a c h i n g - o r i e n t e d f l e x i b l e ma n u f a c t u r i n g s y s t e m i n Ta i z h o u I n s t i t u t e o f S c i e n c e ＆ Te c h n o l o g y wi t h r e l i a b l e o p e r a t i o n a n d g o o d e f f e c t ． Ke y wo r d s S7 2 0 0 ；AC s e r v o s y s t e m；i n d u s t r i a l r o b o t ；mu l t i p o i n t p o s i t i o n i n g c o n t r o l ；d e l i v e r y s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m