基于PLC和伺服定位在多功能装箱机中精确定位的应用.pdf

电气技术与自动化 王立之 基于P L C和伺服定位在多功能装箱机中精确定位的应用 基 于 P L C和伺服定位在 多功能 装箱机 中精确定位 的应用 王立之 ， I ． 河海大学 能源与电气学院， 江苏 南京 2 1 0 0 2 4 ； 2 ． 昆山永邦自动化设备有限公司， 江苏 苏州 2 1 5 3 1 6 摘要 为 了降低人力成本和提 高生产效 率， 设计 了类似于机械手 的多功能装 箱机 。一般 移栽 机或机械手在逐个夹取堆叠中的物品时， 通常采取 以两个光电检测配合变频或伺服 系统的方 法来确定夹取点位 ， 这只能满足对精度要 求不是很高的情况。但对夹取点位的精确度有严格 要求的场合， 需要提出新的办法解决。为了解决这个问题， 利用伺服系统精确度高的优点， 通 过 P L C精确计算来确定夹取点位。多功能装箱机经过在生产中应用证明， 该 系统性能稳定， 夹 取精度 高。 关键词 可编程序控制器； 伺服 系统； 机械手； 精确夹取； 效率 中图分类号 T H 1 2 ； T P 2 3 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 1 ． 5 2 7 6 2 0 1 3 O 1 ． 0 1 9 0 0 5 Pr e c i s e Po s i t i o n i ng Ba s e d o n PLC a n d Se r v e i n M u l t i - Fun c t i o na l Pa c ki ng M a c hi ne s W ANG L i ． z h i f ， ] 1 ． C o l l e g e o f E n e r g y a n d E le c t r i c i t y ，H o h a i U n iv e r s it y ， N a n j i n g 2 1 0 0 2 4 ， C h i n a； 2 ． K u n s h a n Y o u g b a n g A u t o ma t i o n E q u ip me n t C o ． ， L T D． ， S u z h o u 2 1 5 3 1 6 ， Ch i n a Abs t r ac t I n o r de r t o r e du c e o pe r a t ion c o s t s a n d r ais e p r od u c t io n e ffic i e n c y，t his p a p er u s e s PL C an d s ervo c on t r o l f o r t h e man i p u l a t or s o f mult i- f u n c t ion a l p ac k in g ma c h i n e s． I n pr a c t ic a l pa c k ing pr o c e ss es， t r an s p l a n t i n g mac h i n e s or r ob o t i c ha n d s a r e wide ly u s e d f or c lampin g ind iv i d u al i t e ms f r O m t h e s t a c k f or t he it ems． i n t h i s pr o c es s f r e qu e n c y mo dif ic a t i o n c o n t r ol o r s er v o c o n t r o l a r e ge n er a l ly a d op t e d i n d e t er minin g t h e c l a mping p o s i t i o n s o n in div i d u al i t e ms v i a d ou b l e - p o i n t ph o t o ele ct r i c de t e c t ion， wh e n p os it io n a c u r an ／ n e e d s n o t t o b e h i g h ． H o we v e r ， f o r t h e p r e c i s io n p o s i t i o n i n g r e q u ir e me n t ， we n e e d t o c o n s i d e r n e w t e c h n iq u e ． Mo r e p r e c is e ly ， we wi l l d e v elop a p r e c is e c on t r o l t ec h n i q u e f or c l a mping o p er a t io n in mu lt i - f un c t ion a l p a c k i n g mac h i n e s b y e x p l o it i n g h i g h p r e c is i o n o f s er v o s y s t e ms an d c a l c u l a t i n g a c c ur a c y o f t h e PL Cs． I n ou r pr a c t i c a l a p p l ic at ion o f s u g ge s t e d mu lt i- f un c t ion a l pa c k i n g ma c hin es， t h e p a ck i n g s y s t e m pr es en t s it s s t ab l e p e rfo r ma n c e wi t h h i g h c l a mping p r ec is i o n i n t h e op e r a t i o n． Ke y wo r d sP L C； s e r v o s y s t e m ； ma n i p u l a t o r ； p r e c i s e c la mp i n g； e ff i c ie n c y 0 引言 在家用电器、 手机、 手提计算机、 数码产品、 智能终端、 玩具业等产业中， 它们的外形封装、 框架结构、 按键等大部 分是由塑料制品完成， 这些产业都与塑料产业密切相关。 近十几年来 ， 随着这些产业的不断更新换代， 注塑成型业 也得到迅猛发展。特别近年来 ， 随着人力资源成本的不断 上涨 ， 注塑企业为了降低成本 ， 自动化设备得到了广泛应 用。移载机和机械手得到了广泛应用。 在移载机或机械手的一般应用中， 一般应用变频器或 伺服系统。在逐个夹取堆叠中的物品， 通常采取以两个光 电检测来确定夹取点位， 第一个光电检测用于减速 ， 后一 个停止夹取。在一些对点位精度要求不高的情况下， 这样 方案能满足设计要求。但因为光电检测响应时间、 速度变 更、 加减速时间变更等相关影响， 每次停止点位都有细微 误差 ， 这不能满足对停止点位 的精确度有严格要求的场 合。为了解决这个问题 ， 本文提出一种新的方法， 利用伺 服系统精确度高的优点， 通过 P L C精确计算来确定停止 夹取点。并把这个新方法应用到注塑行业广泛需求 的多 功能装箱机中。 1 系统设计要求及工艺流程的设计 1 ． 1 设计 要求 利用 P L C具有强大的逻辑处理能力、 可靠性高、 抗 干扰能力强 、 动态性能好及特别适用工业 自动化控制中 的优点 ， 和伺服系统响应时间快、 定位精度高等优点 ， 设 计出类似于机械手的多功能装箱机， 代替人工作业。以 达到提高生产效率 、 产品合格率和安全性， 也降低生产 成本的要求 。 1 ． 2系统工作流程 系统主要由三部分组成 搬入胶箱， 取胶箱， 产品装 箱 ， 放胶箱， 搬出胶箱。简易工作流程结构图如图 I所示。 搬入胶箱和搬出胶箱分别由搬入地面传送带和搬 出 地面传送带完成， 根据实际需要可以适当地增加地面传送 作者简介 王立之 1 9 7 9 一 ， 男， 江苏阜宁人， 硕士研究生， 研究方向为自 动控制技术应用。 1 9 0 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 电气技术与自动化 王立之 基 于P L C和伺服定位在 多功能装箱机 中精确定位的应用 搬入 胶箱 图1 多功能装箱机流程结构 带的长度即工位数。这样 ， 可以人为延长放置空胶箱的间 隔时间， 达到每天仅需放置一次胶箱， 即可满足一天的生 产要求。 工作流程中的取胶箱、 产品装箱、 放胶箱 ， 主要由移动 夹具 类似于机械手 完成。移动夹具由伺服系统驱动来 定位 ， 这样可以精确地取走和放置每一个胶箱。根据不同 产品要求 ， 仅需对参数适当设定， 可以放置不同规格的胶 箱。移动夹具的工作流程图如图 2所示。 产品装箱工作流程主要是移动夹具配合从注塑机中 取出产品的机械手工作。因为移动夹具的驱动是使用伺 服系统来驱动 ， 故可以完成复杂的装箱功能。这个功能可 以满足 目 前仍大量使用的气缸机械手的要求。产品装箱 的流程 图如 图 3所示 。 开移 始动 开夹 关具 备光 用电 备 用 图2 移动夹具的工作流程 1 P ⋯ 位置 移动至 产品装箱 P ． 1 P ．3 P ．4 P ． 5 巷 傅 I, I ． ． II -_ E 一-- -- f一． 一． ． 一． ． ii i _ 移 动 计 数 u P 机 位 置L -◆ ⋯⋯ 上 下 P ． 2 装箱位置 上下 P．3 上下计数u “ 一 -- i - 一 - L 一 -- 一- - 5移动计数u P 二 二 [ l 二 ] _ 4 移动计数uP 图3 产品装箱流程 2 硬 件设计 根据设计要求， 本设计选用国产的信捷 P L C， 型号为 X C 2 4 8 T E， 它用晶体管输出， N P N型， 2 8个输入点， 2 0个 输出点 ， 其 中含有两组脉冲高达 2 0 0 k Hz的输出端 口， 两 组计数脉冲高达8 0 k H z的输入端 口， 其满足本设计要求。 P L C的输入输出接线如图4所示。 搬 x Z 入 z轴 轴 侧轴 轴轴原X X 原z z 行伺 伺刹点轴轴轴点轴轴 程服 服车E右左手E上下 开报备报连P极极信P极极 关警用警锁D限限号D限限 备 用 C0M Xl X3 X5 X7 Xl 1 X1 3 Xl 5 X1 7 X21 X2 3 X2 5 X0 X2 X4 X6 X 1 0 X1 2 X 1 4 X1 6 X2 0 X2 2 X2 4 X2 6 P LC Y0 Y2 Y4 Y6 Y1 0 Y1 2 Y1 4 Y1 6 Y2 0 COM Y1 Y3 Y5 Y7 Y1 1 Y1 3 Y1 5 Y1 7 Y2l L N G 牛 [} [} [} [} [} {] {] {] [} 牛 {] {] [} {] ⋯ 霜霜 帚 蒂 塞 囊 服服 缸冲冲 脉脉 电方方 冲冲 磁向向 阀 伺 给 服 机 使 械 能 手 信 县 z 伺报自待 故搬 搬搬 车 葑 薰 纂 霾 图4 P LC输入输出接线 Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o ma t io n ， 2 0 1 3， 4 1 J 1 9 0～1 9 4 1 9l 搬出侧光电 搬出侧 光电 搬入侧光电 搬入侧光电 夹爪光电检测 夹爪开E PD 右 夹爪开 E PD左 电气技术与自动化 王立之 基于 P L C和伺服定位在多功能装箱机中精确定住的应用 伺服系统选用松下 M I N A S A 5系列 ， 松下 M I N A S A 5 系列是新推出用于代替 A 4系类 ， 它相比于 A 4 ， 具有更高 的速度频率， 定位超调整时间更短， 控制精度更高， 可实现 更高速的定位。伺服驱动器型号为 MB D H T 1 5 1 0 ， 电动机 功率为4 0 0 W、 高惯量、 增量式编码器的三相交流伺服电 动机， 型号为 MHM D 0 4 2 G。其中垂直轴 z 轴 要特别注 意， 在突然断电情况下， 如没有使用制动装置即刹车装置， 因自重而下坠， 损坏设备装置。故垂直轴需要使用含有刹 车装置的伺服电动机。 本设计伺服控制模式选用位置控制模式， 指令脉冲输 入处理采用脉冲列 符号。具体参数设置如 控制模式设 定 参数代码 0 0 1 设为位置模式； 指令脉冲输入模式设定 参数代码 0 0 7 ， 设为“ 脉冲数量 脉冲方向” 方式。因本 设计要求移动速度高和加减速度大， 故要增加外部再生放 电电阻， 并同时需对再生放电电阻的选择 参数代码 0 1 6 进行设定。又因为本系统 中有垂直轴 ， 为了防止突然断 电， 故垂直轴需使用含有制动器的伺服电动机， 为了使外 设制动器解除输出与电动机开始运行相一致， 解除制动器 的信号应使用伺服内部同步信号， 对机械制动器参数 参 数代码 4 3 7 、 4 3 8 也要设定。最要的是电子比的计算及设 定 ， 为了实现输入的脉冲数与实际移动的值相一致， 以便 于系统测试调整， 故需对此进行设定； 电子齿轮比主要与 减速比、 带轮直径、 分辨率、 编码器位数等有关 ， 操作手册 上有详细计算公式； 通过选择合适 的分辨率， 对电子比 参数代码0 0 8 、 0 0 9 、 0 1 0 进行设定 ； 若设定正确 ， 当分辨 率取 0 ． 叭 mm， 根据公式设定电子比后 ， P L C输出给伺服 系统 1 0 0个脉冲， 移动夹具则移动 1 mm。伺服驱动器的 接线如图5所示。 AC2 2 0V 再生放 电 电阻器 XB L1 Ll Ll L1 L1 L1 图5 伺服系统接线 2 4V 触摸屏便于人机信息交换。使用触摸屏后， 在触摸屏 上设置软按钮， 可以省去很多实物按钮开关 ， 并且可以直 接在触摸屏上进行操作， 方便于数据输入和查询。 3 软件设计 1 9 2 3 ． 1 控 制主流 程图 根据控制要求， 建立多功能装箱机的主控制流程 图 图 6 。 异 程序I常 跳出 结束 1 龟 否 复位 ／ 一 自动复位J ／廷 ＼否 星 复位完成 I 移动夹具 循环工作 是 水线停止 1 噙 到位 7 否 图 6系统主控制流程 图 3 ． 2 伺服脉冲程序设计 根据控制要求 ， 需要使用有关于伺服输出脉冲控制的 指令 ， 本设计应用的是‘ 相对位置多段脉冲控制’ 的 3 2位 指令 D P L S R。在使用脉冲输出指令时， 要特别注意 ， 同样 的指令控制某个脉冲输出端 口， 在整个程序中只能出现一 次 ， 也就说在脉冲输出指令使用前面， 要增加多层中间寄 存器过渡。另外， 在脉冲输出指令执行完成后 ， 要及时复 位其执行条件寄存器， 不然程序会 出故障， 造成系统不能 正常工作。通常都是用 P L C系统的内部的脉冲输 出特殊 寄存器来及时复位 本设计中是 M8 1 7 0和 M8 1 7 3 ， 具体 相关程序的部分如下 L DM9 2 ANDM1 O L DM2 6 ANI C1 3 L DM2 8 ANI C 2 6 ORB L DM2 8 O ANI C2 7 ANDC2 6 0RB L DM3 6 ANDM 1 3 1 ANDC1 5 0RB I ．DM3 6 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． 13 1 1 E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 一 妻 『 一 压 6 7 6 7 a Y Y Y Y X X o 兰 电气技术与自动化 王立之 基于P L C和伺服定位在多功能装箱机 中精确定位的应用 ANI C1 5 0RB ORM3 8 0RM5 2 0RM5 8 L DM5 4 ANI M8 5 0RB L DM6 0 ANI M8 5 0RB LDP M 1 01 ANDM1 8 3 ANDM1 8 O ORB LD PM21 0 ANDM 1 8 3 0RB L DM l 2 0RM 1 7 ANB ANI Ml 0 ORB ANDM 1 3 S E TM5 O L DM5 0 L DC 3 7 ANDM2 3 ANI X1 6 ORB L DC 3 8 ANDM2 3 ANI Xl 5 ORB DPI SRD 2 2 2 D2 2 0 Yl LDF M8 1 7 3 RS TM5 O 3 ． 3 移动夹具原点回归程序设计 因为使用的是增量式伺服电动机， 故每次重新开机需 对系统做原点回归。移动夹具原点回归如图7所示。 复位前位置 高速回原点 距离 原点位置 图7 移动夹具原点回归 Ma c h i n e B u i ld in g留Au t o m a ti o n ， J u n 2 0 1 3 ， 4 1 J 1 9 01 9 4 3 ． 4移动夹具运行及其精确定位 的程序 设计 移动夹具移动程序是本设计的主要部分。移动夹具 的控制流程图见图 8 。 图8 移动夹具控制流程图 而移动夹具抓取点是否精确， 是本设计的关键 ， 它是 充分利用伺服定位精确和 P L C数据处理能力强的优点。 定位处理及计算的主要程序如下 L DPC2 O ANI C 21 ANDM1 3 DM0VD8 1 7 3 D1 5 0 DCMPDl 5 OD4 4 OMl 1 O L DPM1 1 2 ANDC2 O ANI C 2 1 ANDM1 3 MC S DDI VD1 5 0D 3 7 2D1 5 2 1 9 3 电气技术与自动化 王立之 基于 P L C和伺服定位在多功能装箱机中精确定位的应用 U M8 3 ADDD1 5 2D2 7 6D1 5 6 LDI M8 3 ADDD1 52 1 2 7 8 D1 5 6 LDM8 0 0 0 DMUL D1 5 6 D3 7 2 D1 6 2 DCMP D1 6 2 D4 4 O M1 0 4 MC R L DPM1 04 ORPM1 o 5 ANDC2 O ANI C 2l ANDM 1 3 DM0VD 4 4 0 D1 6 2 DS UBD1 6 2 D1 5 0D1 6 0 DADDD1 6 2D4 3 2D1 6 8 搬出侧相对于搬人侧， 区别仅在于其商 m不需要加 1 ， 因为搬入侧是取走检测到的胶箱 ， 而搬出侧是放置在检 测到的胶箱上一层。 3 结语 本文介绍了 P L C结合伺服系统在多功能装箱机中的 设计和应用。充分利用 P L C强大的逻辑处理能力、 伺服 系统控制精度高、 触摸屏便于人机交流等优点， 设计出夹 取定位精度高的多功能装箱机。经过生产中应用证明， 硬 件运行可靠， 极大地提高了生产效率 ， 显著地提高产品合 格率， 取得了良好的效果， 有较高的使用和推广价值。 参考文献 [ 1 ]史晓伦． 多轴精密机械手关键技术研究[ J ] ． 控制工程， 2 0 0 9 ， 1 ． [ 2 ] 黄惟一， 胡生清． 控制技术与系统[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 J 信捷 P L C编程手册， 信捷触摸屏使用手册， 松下交流伺服马 达和驱动器使用说明书[ S ] ． [ 4 ] 郭建宇， 冯刚． 无阀电液伺服系统[ J ] ． 轻工机械， 2 0 0 5 ， 4 ． [ 5 ] 王世红， 徐世许， 张传林． 送料机长送料的伺服控制系统设计 [ J ] ． 机械制造与 自动化 ， 2 0 1 0 ， 1 ． [ 6 ] 毛跃辉． 基于 P L C控制的全 自动剪板机系统设计[ J ] ． 可编程 控制器与工厂 自动 ， 2 0 0 8 0 2 ， [ 7 ]张传林， 许世坚， 王世红． 伺服系统在 自 动攻丝生产线上的应 用[ J ] ． 电气技术与自动化， 2 0 1 0 ， O 1 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 22 3 上接第 1 7 2页 槽型抛物面聚光器， 太阳辐射从镜面顶点和镜面边缘 点 ， Y 反射出去的光线到达焦点出的尺寸分别为 和 ． 从镜面顶点到边缘点的全部镜面反射辐射均可落 到接收器上， 接收器的长短轴分别为 W、／ ’ 2 2丽2 2 8 Sll l 口 2 f t a n 6 9 式中 和 分别为聚光器的长轴和短轴， 为镜面边缘上 的一点， 厂 为聚光器的焦距， 为圆面张角， 0为边界角。 当 在满足上述条件时， 太阳光从各个点反射出去 的光线完全能够落在抛物面接收器上的条件下， 槽式抛物面 聚光集热器集热管的形状可以为圆形、 椭圆形和橄榄形。 5 结论 1 优化后支架的焦距明显变小 ， 开口宽度变大， 采光 口面积变大， 聚光比增大， 提高了太 阳辐射的利用率。支 架变形更小， 为进一步分析聚光器的光学性能分析提供了 条件。2 通过对支架进行优化 ， 支架的材料减少， 同时满 足了支架的强度和刚度要求， 使支架更容易运输、 安装维 护。3 支架变形后 ， 开 口宽度变大， 焦距变小 ， 可能会发 生反射光有一部分被集热光吸收， 有一部分偏 出， 可以通 过对优化后支架的开口宽度与焦距重新设计集热管的直 径， 使设计的集热管能够完全接受来 自反射镜的光线， 从 而充分利用了太阳能辐射。 1 9 4 参考文献 [ 1 ]陈于平．聚光太阳能发电技术应用与前景 [ J ] ． 重庆三峡水 利 电力集团 ， 2 0 1 0 ， 0 7 ． [ 2 ]熊亚选 ， 吴玉庭 ， 马重芳 ．槽 式太 阳能 聚光集热 技术 [ J ] ．北 京工业大学学报 ， 2 0 0 9 ， o 6 ． [ 3 ]杨谋存．抛 物槽式 聚光器 结构 与光学分 析 [ J ] ． 南京 工业 大 学学报 ， 2 0 1 0， 0 8 ． [ 4 ]陈小安． 槽式太阳能聚光器结构优化及新型定日镜两轴跟踪 精密传动箱[ J ] ． 重庆大学学报， 2 0 1 0 ， 8 ． [ 5]安翠 翠．抛 物槽 集 热器 的研 究 [ J ] ． 河 海 大学 学 报 ， 2 0 0 8， 0 5 ． [ 6 ] 王军， 张耀明， 张文进， 等． 太阳能热发电系列文章 1 0 槽式 太 阳能热发 电中的聚光集热器[ J ] ． 河海 大学学报 ， 南京 中材 天成新能源有限公 司， 2 0 0 7， 0 4 ． [ 7 ]韦彪， 朱天字． 槽式太阳能集热器的传热特性研究[ J ] ．河海 大学 ， 动力工程学报 ， 2 0 1 1 ， 0 5 ． [ 8 ]徐显波． 抛物槽式太阳能集热系统的应用与研究 [ J ] ． 兰州 理工大学学报 ， 2 0 1 0， o 5 ． [ 9 ]安翠翠， 张耀明， 王军， 等． 国际主要槽式太阳能热发电介绍 [ J ] ． 河海大学学报， 南京中材天成新能源有限公司， 2 0 0 7 ， O 4 ． 收稿日期 2 0 1 2 0 3 1 6 h tt p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． a n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． a l l 机械制造与 自 动化