伺服電機(jī)系統(tǒng)在立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制中的應(yīng)用

1、技師論文PLC、GOT、定位單元、伺服電機(jī)在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制中的應(yīng)用 單 位：姓 名：考試等級(jí)：準(zhǔn)考證號(hào)：身份證號(hào)：2008年06月PLC、GOT、定位單元、伺服電機(jī)在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制中的應(yīng)用XXXX單位 XXX摘 要 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是近十年來伴隨著自動(dòng)控制、系統(tǒng)控制設(shè)備以及數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生的。隨著這些技術(shù)的發(fā)展和電腦的普及，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)高效、可靠、操作方便的優(yōu)點(diǎn)為越來越多的使用者接受，應(yīng)用也日益廣泛。在以往的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中，其控制部分大都采用PLC加計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)加控制板卡的方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性能以及穩(wěn)定性等大幅度提高，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的日益成熟，一

2、種新的控制方式軟PLC控制方式逐漸形成并逐漸被應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，其中就包括自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)。本文簡(jiǎn)述可編程控制器（FX2n-32MR）、定位單元（FX2n-20GM）、觸摸屏（三菱GT1155）、伺服電機(jī)在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)（AS/RS）系統(tǒng)堆垛機(jī)中的具體應(yīng)用。立體倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)是根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的基本原理而設(shè)計(jì)的。在整個(gè)控制系統(tǒng)中以三菱FX2n-32MR型PLC作為核心控制元件，三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元用來控制伺服電機(jī)（三菱MR-E-20A）來驅(qū)動(dòng)倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的X軸與Y軸，控制雙軸氣缸來驅(qū)動(dòng)Z軸，堆垛機(jī)的兩軸在高強(qiáng)度導(dǎo)軌上做二維運(yùn)動(dòng)。以伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)、絲杠進(jìn)給量和

3、機(jī)械零點(diǎn)為基礎(chǔ)，依照倉(cāng)位間距，計(jì)算出每倉(cāng)位相對(duì)機(jī)械零點(diǎn)的坐標(biāo)值（脈沖數(shù)），經(jīng)過定位單元驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，進(jìn)而控制傳動(dòng)部件絲杠旋轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，以完成貨物的存取功能。另外，為了保證整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)還采用了限位開關(guān)對(duì)其進(jìn)行限位保護(hù)。通過系統(tǒng)的調(diào)試，立體倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)能夠通過手動(dòng)和自動(dòng)控制方式較為準(zhǔn)確地完成貨物的存取功能。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，基本上達(dá)到自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)高效、可靠、操作方便控制要求。此系統(tǒng)不僅適合自動(dòng)化類教學(xué)儀器的演示，也可以為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的具體實(shí)施作一個(gè)技術(shù)參考。關(guān)鍵詞：自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù) 可編程控制器 定位單元 觸摸屏GOT) 伺服電機(jī) 堆垛機(jī)

4、1 引言1.1自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是指在不直接進(jìn)行人工處理的情況下，自動(dòng)地完成物品倉(cāng)儲(chǔ)和取出的系統(tǒng)， 它以高層立體貨架為主體， 以成套搬運(yùn)設(shè)備為基礎(chǔ)，是集自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)電技術(shù)于一體的高效率、大容量存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。PLC 作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能， 是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)， 實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)庫(kù)功能從單純保管型向綜合流通型的轉(zhuǎn)變。它具有占地面積小、儲(chǔ)存量大、周轉(zhuǎn)快的優(yōu)點(diǎn)，是集信息、存儲(chǔ)、管理于一體

5、的高技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)物。它與平庫(kù)相比，可節(jié)約的占地面積和的勞動(dòng)力。具有很高的空間利用率和出入庫(kù)能力，能加快貨物的出入庫(kù)存儲(chǔ)節(jié)奏，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。機(jī)械手是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的重要組成部分，主要運(yùn)用于存取設(shè)備，例如堆垛機(jī)等。1.2  自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型研究的意義 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是指在不直接進(jìn)行人工處理的情況下，自動(dòng)地完成物品的存放和取出的系統(tǒng)，根據(jù)這個(gè)原理結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型主要應(yīng)用于自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)教學(xué)儀器的演示部分，目的是幫助自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生了解自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理以及整個(gè)控制系統(tǒng)的工作過程、熟

6、悉電氣控制的基本原理，了解電氣控制在現(xiàn)代科技應(yīng)用中的重要性，以及PLC應(yīng)用在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的作用和一些不可替代性的優(yōu)點(diǎn)。熟悉PLC的外圍電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程等。 同時(shí)本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案上結(jié)合了正在開發(fā)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型，并對(duì)其技術(shù)方案進(jìn)行了描述，為日后自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的具體實(shí)施作一個(gè)技術(shù)上的參考。使未來自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)更趨于完美化。2 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)思想 本設(shè)計(jì)是以可編程控制器（Programmable Logic Controller 簡(jiǎn)稱PLC）為核心，三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)有

7、二個(gè)自由度的堆垛機(jī)來模擬現(xiàn)實(shí)中立體倉(cāng)庫(kù)的存取過程。在整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行過程中采用開環(huán)控制方式，觸摸屏（三菱GT1155）為人機(jī)接口元件，PLC和定位單元為控制元件，伺服電機(jī)和電磁閥（雙軸氣缸）為執(zhí)行元件來驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在高強(qiáng)度導(dǎo)軌上做三維運(yùn)動(dòng)，堆垛機(jī)傳動(dòng)部件為高精度絲杠傳動(dòng)。運(yùn)行時(shí)PLC會(huì)接收和分析操作人員在觸摸屏上的輸入指令，做出合理的工作安排。即讀取執(zhí)行元件的信息，通過軟件做出合理的工控安排反饋到執(zhí)行元件和操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車位的位置移動(dòng)。具體原理方框圖如圖1所示。   圖1  系統(tǒng)方框圖 2.2 本設(shè)計(jì)控制要求 （1） PLC根據(jù)觸摸屏所設(shè)置不同物品對(duì)應(yīng)倉(cāng)位

8、實(shí)現(xiàn)十二個(gè)倉(cāng)位的自動(dòng)存取，本系統(tǒng)對(duì)三層倉(cāng)位每層放置不同的三類物品，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)尋找此空位來實(shí)現(xiàn)物品的依次存放，存放結(jié)束后自動(dòng)返回原點(diǎn)（機(jī)械原點(diǎn)），等待下一個(gè)存放命令。PLC接受存放命令向目標(biāo)空位靠近的運(yùn)動(dòng)默認(rèn)為有負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，此時(shí)為低速運(yùn)動(dòng)，以獲得較大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，回原點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)默認(rèn)為空載，此時(shí)堆垛機(jī)快速移動(dòng)，可以節(jié)省工作時(shí)間，提高效率。 （2） 具有急停功能。當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)其它意外等，可以點(diǎn)擊急停按鍵，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即停止運(yùn)行并保持原位置。但系統(tǒng)再次運(yùn)行務(wù)必要回原點(diǎn)校正。因?yàn)橄到y(tǒng)采用開環(huán)控制，其速度由伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)接受的脈沖頻率決定，運(yùn)行位移量由脈沖數(shù)目決定。而各空位對(duì)應(yīng)的脈沖頻

9、率、數(shù)量數(shù)據(jù)均由程序設(shè)定。另外從系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的可靠性和安全性角度考慮，所有的數(shù)據(jù)均應(yīng)參考原點(diǎn)而設(shè)置。所以系統(tǒng)每次任務(wù)結(jié)束后都必須回原點(diǎn)進(jìn)行校正，避免執(zhí)行錯(cuò)誤命令，發(fā)生意外。 （3） 能夠快速返回原點(diǎn)。堆垛每次執(zhí)行完取/放料動(dòng)作完成后，系統(tǒng)便快速返回原點(diǎn)。本功能也可以作為原點(diǎn)校正用，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行誤差積累導(dǎo)致工作臺(tái)不能精確定位，借此可以校正。 （4） 有手動(dòng)和自動(dòng)檔選擇，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。并且在觸摸屏上有點(diǎn)動(dòng)按鈕導(dǎo)航鍵，分別用于控制堆垛機(jī)X軸正向與反向運(yùn)行，Y軸正向與反向運(yùn)行，Z軸（物料叉）伸縮運(yùn)動(dòng)運(yùn)。規(guī)定遠(yuǎn)離原點(diǎn)為正向，靠近原點(diǎn)為反向。同時(shí)在控制臺(tái)上設(shè)置手動(dòng)操作的十

10、字開關(guān)，對(duì)堆垛機(jī)X與Y軸手動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的存放操作。（5） 堆垛機(jī)X軸與Y軸方向定位由輸出脈沖序列專用單元FX2N-20GM控制兩臺(tái)MR-E-20A伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)；堆垛機(jī)取放料機(jī)構(gòu)物料叉由PLC驅(qū)動(dòng)電磁閥控制氣缸伸縮動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)取放物品功能。（6）裝配物品檢測(cè)傳感器，PLC獲取此信息并根據(jù)觸摸屏對(duì)物品分類入庫(kù)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品分類入倉(cāng)。（7） 觸摸屏功能：在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)對(duì)象的監(jiān)視及倉(cāng)庫(kù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示功能，具體要求： 1.自動(dòng)控制； 2.手動(dòng)控制；3.系統(tǒng)急停；4.物品對(duì)應(yīng)倉(cāng)位設(shè)置；5.倉(cāng)庫(kù)物品實(shí)時(shí)庫(kù)存數(shù)量統(tǒng)計(jì)，6.歷史庫(kù)存數(shù)量統(tǒng)計(jì)； 7.倉(cāng)庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)視；8

11、.出庫(kù)操作；9系統(tǒng)報(bào)警（如滿倉(cāng)）。2.3 系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)由可編程控制器（FX2n-32MR）、定位單元（FX2n-20GM）、觸摸屏（三菱GT1155）、伺服電機(jī)（MR-E-20A）及氣缸（物料叉）等組成。控制電路圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)控制電路圖伺服電機(jī)伺服電機(jī)堆垛機(jī)Y軸堆垛機(jī)X軸MR-E-20A伺服器CN1 CNP2 CN2CNP1L1 L2MR-E-20A伺服器CN1 CNP2 CN2CNP1L1 L2FX2N-20GM TO MR-E-20A通訊電纜FX2N-20GM TO MR-E-20A通訊電纜LNG-LNG-CON3 CON4 FX2N-32MRFX2N-20GM電源接口 COM

12、 X0 X1 X2CON1 Y3 COM1CON2堆垛機(jī)手動(dòng)控制十字開關(guān)限位開關(guān)等電磁閥顏色傳感器（藍(lán)色）顏色傳感器（白色）金屬傳感器DC24V-+-+ -DC24VGT11552.4系統(tǒng)觸摸屏監(jiān)控畫面。圖5 初始畫面 圖6 控制方式畫面圖7 自動(dòng)控制監(jiān)控畫面 圖8 倉(cāng)庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)視畫面圖9 歷史庫(kù)存數(shù)畫面 圖10 堆垛機(jī)手動(dòng)控制畫面圖11 物料目標(biāo)倉(cāng)庫(kù)設(shè)置畫面 圖12 出庫(kù)操作畫面3系統(tǒng)主要器件及在系統(tǒng)中的功能簡(jiǎn)介 3.1  可編程控制器（PLC） 本設(shè)計(jì)中用的主控制器MITSUBISHI FX2N-32MR型PLC為本三菱公司生產(chǎn)的一款小型PLC，F(xiàn)X2n系列PL

13、C把許多其他PLC的優(yōu)點(diǎn)都融進(jìn)一個(gè)很小的控制器中。FX2n適用于最小的封裝，是希望低成本的用戶在有限的I/O范圍尋求強(qiáng)大控制功能的首選目標(biāo)。內(nèi)部提供多達(dá)32個(gè)I/O點(diǎn)，并且能夠通過串行通信傳輸數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)PLC為核心元件對(duì)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理。 3.2 觸摸屏（GOT） 觸摸屏是觸摸式圖形顯示終端的簡(jiǎn)稱，它是一種人機(jī)交互裝置。一般通過串行接口與計(jì)算機(jī)、PLC或其他外圍設(shè)備連接進(jìn)行通信，由專用軟件完成畫面的制作和傳輸，實(shí)現(xiàn)其作為圖形操作和顯示終端的功能。在控制系統(tǒng)中，觸摸屏常作為PLC的輸入和輸出設(shè)備，通過使用相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)出滿足用戶要求的監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的操作和顯示。本

14、設(shè)計(jì)中用的為三菱公司生產(chǎn)的GT1155型320X240點(diǎn)STN彩色液晶觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)對(duì)象的監(jiān)視與控制功能。 3.3 定位單元 定位單元FX2n-20GM型是三菱公司生產(chǎn)的輸出脈沖序列的專用單元。定位單元允許用戶使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，并通過驅(qū)動(dòng)單元來控制定位。一個(gè)定位單元能控制兩根軸；定位單元配有一種專用定位語(yǔ)言（cod指令）和順序語(yǔ)言（基本指令和應(yīng)用指令）；當(dāng)連上一個(gè)通用的脈沖發(fā)生器（集電器開路型）后，手動(dòng)進(jìn)給有效；當(dāng)連接上一個(gè)帶有絕對(duì)位置（ABS）檢測(cè)功能的伺服放大器后，每次啟動(dòng)時(shí)的回零點(diǎn)可以被保存下來。當(dāng)連上一個(gè)FX2n系列PLC時(shí)，定位數(shù)據(jù)可被讀/寫，定位單元也可不需要任

15、何PLC單獨(dú)運(yùn)行。 本設(shè)計(jì)中定位單元FX2n-20GM用來控制兩個(gè)MR-E伺服電機(jī)定位堆垛機(jī)的兩軸位置。3.4 伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī) 本設(shè)計(jì)中采用兩臺(tái)三菱通用AC伺服MR-E-20A型交流伺服放大器，控制模式有位置控制和速度控制2種模式，而且能夠切換位置控制和速度控制進(jìn)行運(yùn)行。位置控制模式時(shí)可用最高500Kpps的高速脈沖串執(zhí)行電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向的控制。MR-E系統(tǒng)伺機(jī)服電機(jī)的編碼器采用14386脈沖/轉(zhuǎn)分辨率的增量位置編碼器，可進(jìn)行高精度定位。 兩臺(tái)伺服電機(jī)為本設(shè)計(jì)執(zhí)行元件，控制傳動(dòng)部件絲杠旋轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。3.5 驅(qū)動(dòng)支架倉(cāng)庫(kù)模型 驅(qū)動(dòng)支架（堆垛機(jī)）是此模擬機(jī)的重要

16、機(jī)械部分，要求有高的強(qiáng)度和傳動(dòng)精度用于保證運(yùn)行的精度和可靠性。其有效坐標(biāo)行程（可運(yùn)動(dòng)最大坐標(biāo)值）為X×Y×Z=460×450×70mm。其各坐標(biāo)方向上各有三根軸，中間是傳動(dòng)絲杠，兩邊是導(dǎo)軌。倉(cāng)庫(kù)模型采用鋼架結(jié)構(gòu)，為3×4行列式，共12個(gè)空位。4關(guān)鍵問題處理  在本模擬自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)輸出脈沖序列的專用單元FX2n-20GM對(duì)伺服電機(jī)控制，即采用脈沖開環(huán)控制方式設(shè)計(jì)，由三菱FX2n-32MR型PLC、定位單元FX2n-20GM、MR-E伺服電機(jī)、氣缸、開關(guān)電源（DC24V）、一個(gè)基本的控制臺(tái)，起控制和驅(qū)動(dòng)作用。 當(dāng)定位單元

17、發(fā)出一定脈沖，經(jīng)過伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的精確控制，傳動(dòng)部件絲杠旋轉(zhuǎn)一圈進(jìn)給量為6mm，因此需依此量并參照機(jī)械零點(diǎn)位置計(jì)算出每一倉(cāng)位對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值。5一個(gè)完整的動(dòng)作過程 要編寫一個(gè)很好的控制程序首先要搞清運(yùn)動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，把連續(xù)運(yùn)動(dòng)合理的離散化和數(shù)字化是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此可以把一個(gè)完整的自動(dòng)存取過程簡(jiǎn)單劃分為：首先按動(dòng)觸摸屏自動(dòng)控制按鈕鍵，如系統(tǒng)為初次啟動(dòng)時(shí)堆垛機(jī)三軸歸機(jī)械零位，物品檢測(cè)傳感器檢測(cè)到物品種類，根據(jù)設(shè)置目標(biāo)倉(cāng)值，PLC接到信號(hào)后，執(zhí)行定位單元對(duì)應(yīng)目標(biāo)倉(cāng)位程序（取物品托架），X、Y軸兩路伺服電機(jī)開始同時(shí)正轉(zhuǎn)，即向各自目標(biāo)的坐標(biāo)值開始靠近。當(dāng)伺服電機(jī)達(dá)

18、到目標(biāo)坐標(biāo)值后，堆垛機(jī)X軸與Y軸均停止動(dòng)作，延時(shí)后PLC驅(qū)動(dòng)電磁閥，氣缸出桿伸出，延時(shí)，Y軸再正轉(zhuǎn)，物料叉托起物料托架使之與倉(cāng)庫(kù)脫離后，氣缸桿作縮回動(dòng)作，延時(shí)，氣缸桿作縮回動(dòng)作完成后定位單元對(duì)兩軸執(zhí)行歸零命令，X、Y軸歸到機(jī)械零位，待檢測(cè)到物品置于物料叉上時(shí)，執(zhí)行定位單元對(duì)應(yīng)目標(biāo)倉(cāng)位程序（放物品托架與物品），此次堆垛機(jī)行走路徑與上一流程基本相似，只是目標(biāo)坐標(biāo)值Y大于對(duì)應(yīng)倉(cāng)位底部坐標(biāo)相對(duì)值，然后物料叉做伸出運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)（Y軸）再反轉(zhuǎn)，放下物品托盤及物品，物料叉再縮回，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)停止動(dòng)作的信號(hào)發(fā)出后即物料叉作縮回動(dòng)作完成后定位單元對(duì)兩軸執(zhí)行歸零命令，到此，即整個(gè)自動(dòng)化立體車庫(kù)的自動(dòng)存取車過程基本結(jié)束。9系統(tǒng)可擴(kuò)展性所采用的PLC主機(jī)支持多種特殊功能模塊，為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能提供了方便，如：只要加上相應(yīng)的通迅模塊（如FX2n-485-BD，F(xiàn)X2N-32CCL等）即可把該系統(tǒng)加入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中。為今后系統(tǒng)改造與升級(jí)提供支