基于PLC大行程重载机械手的控制系统设计.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表 2 0 1 3 年第3 期 总第 1 6 7 期 线及 一个搬运机 械手系 统组成 ，其 中输送线 1 用于传输 前端设 备 的输 出物料 ；输送 线 2 用 于传送 空料框 】 ，并对 料框进 行定 位固定；而搬运机械手系统用于完成物料的搬运工作。为实现 生产 过程 当中对 不 同规格物 料 的分拣 识别功能 ，输 送线 1 前端 装有光 电开关，用于检测物料的长度规格，同时在其末端位置 通过伺服电机驱动的方式调节挡块位置，以完成对不同长度物 料的精确定位，便于机械手系统完成夹持搬运工作。 2 基于 P L C的控 制系统设 计 2 ． 1 硬件 构成 为保证系统能够在复杂的工厂条件下稳定可靠的运行，系 统 采用 P L C作 为整体 控制 系统 的主控 单元 。系 统主 要 由触 摸 屏 、P L C及 其扩 展模块 、伺服 驱动器、交流伺服 电机及 传感器 检测单元组成，控制系统的硬件总体结构图如图2 所示。其中 触摸屏用于实现人机交互功能，在系统工作过程中触摸屏不仅 可以实时的显示系统的工作状态，同时操作人员也可以通过触 摸屏 向控制 设备发送 相应 的指令 ，使 设备按 照人为 意愿动作 。 该 机 械 手 系 统 的 触 摸 屏 选 用 西 门 子 S I MA TI C系 列 面 板 S ma r t l 0 0 0 。同时为满足系统复杂的控制流程及其高精度要 求，机械手系统的主控单元选用西门子高性能可编程逻辑控制 器 s 7 2 0 0 C P U2 2 4 X P ， 同 时 扩 展 了 3个 脉 冲 定 位 模 块 E M2 5 3 、2 个 数字量输 入输 出模 块 E M2 3 3 及 1 个模 拟量输入 模 块E M2 3 1 t I 。脉冲定位模块用于配合 C P U完成对伺服系统的定 位控制 ；而 数字量输入输 出及模拟 量输入模块主要用 于系统传 感器信号的采集和系统数字量的输入输出。触摸屏与P L C之间 通过 KS 4 2 2 串行接 口进 行通信 。 图2 控制系统总体结构框图 2 ． 2 基于 P L C的伺服 电机控制 根据 技术功 能要 求 ，机 械手 所搬运 物料 最大 重量 为 3 0 0 k g ，X轴行 程为 2 米 ，Y轴 方 向运动 总行程为 6 米 ， 因此 为 满足系统大负载大行程的要求，所设计机械手系统选用大功率 交流伺服电动机作为驱动装置带动机械手运动机构进行点到点 的定位控制。本系统中伺服电机选用安川S G MGV系列中惯量 旋转伺服电机，伺服驱动器选用与相应伺服电机组合使用的安 川 S G DV脉冲序列指令型伺服单元I 5 1 。 对于伺服系统的控制模式一般有位置控制、速度控制和转 矩控制三种。其中速度控制及转矩控制模式不论是从响应速度 还是控制精度方面都优于位置控制模式，但是前两者均要求上 位控制器具有较高的运算速度，且控制方法较复杂，从而会使 机械手系统的硬件成本及开发成本增加，本系统选用适用于点 到点定位控制的位置控制模式。伺服驱动器接收来 自P L C控制 单元的脉冲信号及方向信号，经过信号转换及功率放大后驱动 伺服 电机工作 ，同时伺服驱 动器接收增量型编码器反馈 的脉冲 信 号，通过计算得 出实 际位置 与期望位置之间的误差 ，根据两 者误差伺服驱动器内部对其位置闭环控制进行调整，直到误差 为零或最小，从而达到伺服 电机运动的精确定位n 。 图3 定位扩展模块与伺服驱动器的连接 本 文 所 设计 控 制 系 统 ， 主 控 制 器 s 7 2 0 0系列 P L C CP U2 2 4 XP通过数字输 出端 口Q0 ． 0和Q0 ． 1 分别向如图1 所 示中的输送线 1 伺服驱动器和机械手夹持机构伺服驱动器发送 高 速 脉冲 信 号 ，相 应 的 方 向信 号 分别 由 c P u数 字 输 出端 口 Q0 ． 2 和Q0 ． 3 发送；而机械手系统的xYz轴伺服系统分别由三 个定位扩展模块 E M2 5 3 控制，控制电机所用脉冲信号利用差 分信 号脉 冲 。P L C定位 扩展模 块 E M2 5 3 与伺服 驱动 器之 间的 信号连接 图如 图3 所示 。 该机械手系统的工作过程是典型的点位运动，系统工作时 电机 需要做频 繁的启停动作 ，而在启动和停 止的过程中， 电机 速度或加速度的突变容易造成 电机运行的震荡、超程或丢步 等，特别是在大负载运行过程当中，电机运行速度的突变可能 会引起运动机构的强烈震动，此时很容易造成物料的滑落等， 从而对生产效率及安全造成威胁。为解决电机启停过程中的速 度突变问题，本设计利用P L C定位扩展模块中的S 曲线线性加 减 速 功 能 ，对 电 机 运 行 过 程 中 各 运 动 轴 的 最 大 速 度 M a x _S p e e d 、启 动／ 停止速度 S S S p e e d 、加减速时 间Ac c _ T i me ／ D e c _T i me 和运动位置拐点等参数进行设置，使电机运行速度 为连续变化的光滑 曲线。系统通过S T E P 7 Mi c r o ／ WI N软件的 “ P o s i t i o n Co n t r o l Wi z a r d ”配置工具对系统各轴的运动轨迹进 行配置 。 2 ． 3 机械手 系统软件设计 机械手系统的软件设计包括触摸屏界面设计和P L C编程设 计两个部分 。 2 ． 3 ． 1 P L C程序设计 P L C的编 程 设 计 采用 了模 块 化 的 设计 思 想 【7 】 。如 图 4所 示，P L C软件程序包含系统初始 化程 序、示教程序 、 自动运 行 程序 和手 动运行程序 。 系统初始化程序包括系 统 自检和 系统参数 的初始化 。上 电 之后，机械手系统通过 自检功能判断系统是否存在故障，若有 故障则报警，故障解决后通过系统重启或系统复位重新启动系 统；若无故障，则进入正常运行程序。系统故障包括传感器信 号是否异常、系统部件等是否正常供电等。每次开启系统，都 要人工对系统进行原点搜索，使运动机构处于控制的初始状 态，如果系统没有回零，则系统无法进行正常运行。 示教程序主要用于机械手运行轨迹的参数设置及物料规格 6】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于P L C大行程重载机械手的控制系统设计 陈晓丹 ， 等 参数的设置。机械手的手动运行程序一般用于系统调试和系统 故障时故障的排除 。 系统原点搜索完成后，按下启动键，机械手进入 自动运行 程序 ，机械手按照 示教程序中所设定 的运动轨迹进 行点位运动 及物料 的搬运工作 。机 械手 自动运行过程 当中，系统控制器根 据生产线上传感器的反馈信号判断机械手当前运行状态，并将 当前状态实时反馈至触摸屏界面显示 。 图 4 系统工作流程图 2 ．3 ．2 触摸屏界 面设计 触摸屏做为操作人员与机械手系统之间的桥梁，根据机械 手 系统控制要求 ，其界面 设计 如 图5 所示 ，包括 设备状态 显示 界面、控制参数设置界面、操作历史记录显示界面等。 骓 寸 数 设设 I I 图 5 触摸屏界面设计 2 ．4 机械手 系统安全设计 本文所设计机械手系统为重载系统，工作过程中一旦发生 物料滑落、人为闯入、物料错放等问题，就会对人员安全造成 威胁，影响生产效率，对生产带来重大损失。 为保证系统运行过程中操作人员的安全，本系统分别在两 个操作人员工作区装有安全光幕，光幕信号通过安全继电器与 伺服驱动 的安全 功能模块相连 。其 中伺服 系统的安全功能模块 是通过硬件进行基极封锁，阻止控制电机电流的功率模块的驱 动信号，使功率模块 OF F ，切断电机电流 。系统工作时，如 6 2 果非系统提示正 常操 作工序的情况下有人进入光幕 区，或有物 体遮挡到光幕信号，则安全继电器常闭触点断开，切断电机运 行电流，使电机停止运动。同时控制器接收光幕故障信号，停 止电机运行脉冲发送，并在触摸屏上显示光幕故障。当人离开 或遮挡物移 走后 ，需人为按下重新启动 按钮 后，系统才会正常 工作。本机械手系统选用p i l z 手掌防护级安全光幕，安全等级 为 4级 ， 安 全 光 幕 的 保 护 高 度 为 9 0 0 mm， 安 全 分 辨 率 为 3 0 mm，最小可保护人体手 掌不 受安全威胁 。 另外系统所选伺服 电机均 带有机械制动 ，系统停止工作时 可使电机锁死，从而防止竖直方向负载由于重力原因滑落，造 成安全隐患。机械手系统夹持机构上方装有压力传感器，可检 测系统在抓放物料时是否有漏抓、错放、挤压等现象。在非人 工操作工位，安装有安全护栏，防止系统工作时人员误闯入而 造 成安全问题。 3 结语 本文所设计 的大 负载大行程搬运机械手 已经应用于 某企业 油缸 活塞杆 自动化 生产线 当 中，如 图6 所 示 。实 际应用表 明， 该系统可对不同规格物料进行识别搬运，系统运行稳定，可靠 性高 ，节约 劳动 成本，提高 了企业 的生产效率 ，可 实现工厂 的 安全生产。同时系统可记录机械手近一个月内所搬运物料的数 量 ，为企业产量 统计提供方便 。所机械手 设计 系统还适用于其 他重型物料 自动化生产线 1 等待 2 抓取 3 搬运 4 摆放 图6 机械手现场工作图 参考 文献 f 1 】丛 明 ， 刘 冬 ， 杜 宇等 ． P L C伺 服控制在 太阳能电池 组件搬运机 械手 中的应用[ J ] ． 组合机床与 自 动化加工技术， 2 0 1 1 6 6 6 9 ． [ 2 ] 庞振基 ， 黄其圣．精密机械设计[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 年． [ 3 ]李雪静 ， 杜玉红 _ ， J 、 型搬运机 械手结构及 P L C控制系统设 计 [ J 】 _ 装备 制造技术 ， 2 0 1 0 5 8 5 9 ， 6 6 ． [ 4 】梁科山， 唐力 ， 曹玉君等． 基于P L C的工程机械控制系统[ J ] ．兵工 自 动 化 ， 2 0 0 9 7 6 ． 7 7 ． [ 5 】 龙国煊 ， 王 仲， 杨 纯． 基于P L C和伺服电机的精密定位技术研究[ J ] ．传 感器与微系统 ， 2 0 1 0 6 4 ． 6 6 ． [ 6 】西门子． s 7 ． 2 0 0 可编程控制器系统手册． [ 7 ]陈 娟， 周 猛， 薛钧义． 面向对象的程序设计方法在P L C 程序设计中的 应用 [ J ] ． 西北民族学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 2 4 2 7 ． [ 8 ]赵毅忠， 刘必标 ， 杨奕昕． 基于嵌入式技术的平头锁眼机控制系统设 计[ J ] ． 四川兵工学报， 2 0 1 1 1 1 7 3 7 5 ． 【 9 ] Y AS KA WAAC伺服驱动器． ∑ ． V系列用户手册 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m