PLC在物料搬運機(jī)械手控制中的應(yīng)用.doc

1 引言機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線1。筆者開發(fā)的用于熱處理淬火加工的物料搬運機(jī)械手，采用PLC控制，是一種按預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行工件分揀、搬運和淬火加工的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化以及淬火工藝的要求隨時更改相關(guān)控制參數(shù)。2 物料搬運機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示，物料搬運機(jī)械手為三自由度氣壓式圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，主要由機(jī)座、腰部、水平手臂、垂直手臂、氣爪等部分組成。其中，腰部采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，手臂及氣爪采用氣缸等氣動元件。對應(yīng)的物料分揀裝置由4個普通氣缸構(gòu)成，用以將不同長度的工件經(jīng)分揀后送至各自的軌道中，并在軌道終端進(jìn)行淬火加工，加工完畢后再由機(jī)械手抓取、搬運和分類堆放。機(jī)械手抓取長、短工件的順序不是固定的，要視物料分揀裝置的分揀結(jié)果以及長、短工件哪一個先到達(dá)軌道終端來定。但機(jī)械手對工件的堆放順序卻是固定的，要按照一定的規(guī)律堆放(如圖1中，長、短工件各放一邊，以4個為一組進(jìn)行堆放)，并且堆放工件的位置精度也是有要求的。圖1 物料搬運機(jī)械手裝置結(jié)構(gòu)示意圖3 機(jī)械手控制系統(tǒng)組成由于取工件和堆放工件都有定位精度要求，所以在機(jī)械手控制中，除了要對垂直手臂滑塊氣缸、氣爪等普通氣缸進(jìn)行控制外，還要涉及到對水平手臂氣缸以及機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)的伺服控制。其中，機(jī)械手水平手臂氣缸的伺服控制采用氣動比例伺服控制系統(tǒng);機(jī)械手的回轉(zhuǎn)控制則采用三相混和式步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)?？紤]到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，對這種混合驅(qū)動機(jī)械手采用PLC作為核心控制器，上述各控制對象都必須在PLC的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作(如圖2所示)，PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC(16點輸入、16點輸出)。圖2 基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件原理圖步進(jìn)電機(jī)選用深圳白山機(jī)電公司的BS110HB3L142-04型三相混合式步進(jìn)電機(jī)，最大扭矩:12Nm;保持轉(zhuǎn)矩:13.5Nm;額定電流4.2A。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)的正常運行，必須合理選配。為此，我們?nèi)赃x擇白山公司與BS110三相混合式步進(jìn)電機(jī)配套的Q3HB220M等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動器，定位精度可達(dá)30000步/轉(zhuǎn)。為了確保步進(jìn)電機(jī)控制的穩(wěn)定性、可靠性以及便于日后維護(hù)，我們選擇與FX2N系列PLC配套的脈沖發(fā)生單元FX2N-1PG作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制單元2。PLC通過擴(kuò)展電纜、控制信號以及FROM/TO指令對1PG進(jìn)行控制，向1PG發(fā)出定位命令，然后由1PG通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸出指定數(shù)量的脈沖(最大100KPPS)來具體執(zhí)行這個定位命令，從而最終實現(xiàn)PLC對步進(jìn)電機(jī)的伺服定位控制，既提高了控制的靈活性和可靠性, 又便于控制程序的編寫。在圖2中，F(xiàn)X2N-1PG的FP和RP分別與步進(jìn)電機(jī)的DR-和PU-端子相連，表示輸出脈沖類型分別為前向脈沖和反向脈沖。1PG的DOG端為確定步進(jìn)電機(jī)原點位置時所用。在調(diào)試時，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接近原點位置時，應(yīng)通過此端對應(yīng)的按鈕接通24V電源，從而使步進(jìn)電機(jī)開始以原點返回速度(爬行速度)轉(zhuǎn)動，以便在到達(dá)設(shè)定的原點位置時方便于PG0端的控制。PG0+和PG0-為步進(jìn)電機(jī)到達(dá)原點位置時的停轉(zhuǎn)控制信號，需外加一個5V電源，正端接PG0+，負(fù)端通過開關(guān)K與PG0-相連。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在DOG信號的控制下緩慢轉(zhuǎn)動到達(dá)設(shè)定的原點位置時，可通過手動或行程開關(guān)觸發(fā)PG0+和PG0-，使兩端接通5V電源，于是電機(jī)停轉(zhuǎn)，并將原點位置記錄下來，存貯在1PG的BFM#26和#27這2個寄存器中，作為PLC對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步控制的基準(zhǔn)和重要參數(shù)。氣動比例伺服控制系統(tǒng)采用德國Festo公司的相關(guān)產(chǎn)品，主要由HMP坐標(biāo)氣缸、伺服定位控制器SPC200以及與之配套的內(nèi)置位移傳感器MLO-POT-0225、氣動伺服閥MPYE-5-1/8-LF-010-B和伺服定位控制連接器SPC-AIF-POT等裝置組成。在圖2的控制系統(tǒng)硬件接線中，主要涉及其中SPC200的DIO數(shù)字量I/O模塊的接線3。從該圖中可見，一方面PLC通過輸出端Y0-Y3控制SPC200的定位指令(Record Select工作方式)記錄號選取，并通過Y6啟動伺服定位;另一方面SPC200又通過定位任務(wù)完成信號Q0.4(MC-A)將定位執(zhí)行情況反饋到PLC的輸入端X12，以便于PLC 的程序控制。在滑塊氣缸和氣爪上都安裝有磁性開關(guān)傳感器，用于檢測氣缸活塞的位置。通過這些傳感器的信號，并結(jié)合步進(jìn)電機(jī)和氣動伺服的啟停信號，在PLC的控制下，就能夠?qū)瑝K氣缸和氣爪對應(yīng)的電磁閥進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)氣缸的動作。 4 控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計4.1 步進(jìn)電機(jī)初始化控制程序PLC與1PG間通過FROM/TO指令進(jìn)行聯(lián)系。通過TO指令，PLC將控制命令及參數(shù)寫入1PG的緩存，而在1PG控制下，步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài)則由PLC通過FROM指令讀入，以便程序處理。在圖3所示的部分步進(jìn)電機(jī)初始化程序中，PLC一旦通電運行，便在每一個循環(huán)執(zhí)行周期中將其M0M15寄存器的內(nèi)容寫入1PG的操作命令緩存“BFM#25”中，控制1PG的工作。同時，PLC還不斷從1PG的“BFM#28”、“BFM#27”和“BFM#26”緩存中讀入步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài)和當(dāng)前位置值，以便在邏輯控制中通過對這些輸入值的處理來進(jìn)一步控制機(jī)械手的動作。圖3 步進(jìn)電機(jī)初始化控制程序按設(shè)計要求，同類型工件每4個為一組放置，兩種工件各自的堆放順序不能互相干擾。因此，同類型的4個工件搬運為一個基本循環(huán)，在各自的工件循環(huán)中分別設(shè)置了相應(yīng)的工件計數(shù)標(biāo)志位。4.2 機(jī)械手綜合控制程序綜合前述的步進(jìn)電機(jī)和氣動伺服控制技術(shù)，同時結(jié)合對垂直手臂滑塊氣缸、氣爪的控制要求, 下面給出機(jī)械手完成一次定位并抓取工件的部分PLC程序(如圖4所示):圖4 機(jī)械手綜合控制程序該程序表明:當(dāng)工件分揀加工完畢后，機(jī)械手首先轉(zhuǎn)動一定的角度指向取工件位置，待步進(jìn)電機(jī)定位結(jié)束后，垂直手臂滑塊氣缸活塞落下，然后水平手臂氣缸在氣動伺服控制下伸出設(shè)定的定位位移。定位位移是由PLC的輸出端子(Y2Y0)控制SPC200輸入端子(I0.2I0.0)的狀態(tài)來決定的，如附表所示，從而實現(xiàn)了PLC對氣動伺服定位的控制。當(dāng)氣動伺服定位結(jié)束后，氣爪動作,夾緊工件。后續(xù)的搬運和放置工件的控制程序原理與之類似。附表 PLC輸出端子與SPC200輸入端子接口狀態(tài)對應(yīng)表5 結(jié)束語上述針對機(jī)械手的控制方法充分利用了PLC和其它控制裝置的特性，結(jié)構(gòu)緊湊、控制可靠，目前在現(xiàn)場運行良好。作為一個相對獨立的PLC控制系統(tǒng)，它還可以通過RS-485總線或CC-Link總線與生產(chǎn)線上的其它PLC及控制器組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)更進(jìn)一步的自動化生產(chǎn)控制。參考文獻(xiàn)1 張建民. 工業(yè)機(jī)器人M. 北京:北京理工大學(xué)出版社,1996.2 三菱公司. FX2N-1PG PULSE GENERA