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1、基于伺服电机的定位工件处理系统摘要:伴随着时代的发展，大型机械化生产进程加快。输送站在其中有着至关重要的作用，他提高了工作效率，是自动化生产的重要部分。为了稳定自动化的生产工作，输送站就显得极为重要，所以机械手的精确定位是非常重要的。这是本文的重要工作。关键字：大型机械化；自动化生产；机械手Abstract: With the development of the times, the process of large-scale mechanized production is accelerating. The transportation station plays a vital ro
2、le in it. It improves the work efficiency and is an important part of automatic production. In order to stabilize the automatic production work, the conveying station is extremely important, so the precise positioning of the manipulator is very important. This is the important work of this article.K
3、ey words: large-scale mechanization; Automated production; Manipulator目录1.机械手装置结构和工作过程31.1 结构31.2 工作过程32. 控制系统设计32.1 PLC选型及I/O地址分配32.2 伺服控制器参数设置及接线42.2.1 参数设置42.2.2 主要参数设置说明42.2.3 接线43 .程序设计53.1 脉冲输出指令库MAP53.2 程序设计步骤64.系统结构与主要器件94.1 主要器件104.2 伺服驱动器的接线105.工作任务设置与软件设计115.1 流程设置115.2 I/O配置115.3 软件设置125
4、.4 PLC控制程序设计146.2 设计与实施187. 结束语19参考文献201.机械手装置结构和工作过程1.1 结构输送站机械手装置主要由抓取机械手装置、直线运动传动组件、拖链装置和PLC等部件组成。抓取机械手装置安装在直线运动传动组件的滑动溜板上，在传动组件带动下整体作直线往复运动。1.2 工作过程驱动抓取机械手精准定位到指定站点，进行抓取和放下物料操作。为了方便阐述，本文设计了一个简单的控制流程，要求如下：（1）按下按钮开关SB1，机械手开始寻找原点，归零完成后指示灯HL1亮；（2）按下按钮开关SB2，机械手以101 mm/s的速度运行到603 mm的位置，到位后延时4s，再返回原点。如
5、果做到了上述控制，那么驱动机械手精准到到各个站点，只要修改几个数字即可。2. 控制系统设计2.1 PLC选型及I/O地址分配由于需要输出驱动伺服电机的高速脉冲，PLC应采用晶体管输出型。本文选用西门子S7-226 PLC。根据控制要求进行了以下I/O地址分配，如表1所示2.2 伺服控制器参数设置及接线2.2.1 参数设置本文采用松下MHMD022G1U伺服电机和MADHT1507E伺服驱动装置，根据伺服电机手册，设置参数：Pr0.01，设置数值为“0”；Pr0.02，设置数值为“1”；Pr0.03，设置数值为“13”；Pr0.04，设置数值为“250”；Pr0.06，设置数值为“1”；Pr0.
6、07，设置数值为“3”；Pr0.08，设置数值为“6 000”；Pr5.04，设置数值为“2”；Pr5.28，设置数值为“1”。2.2.2 主要参数设置说明Pr0.01是用来设置伺服电机的控制模式，本文设置的控制方式是位置控制，代码为P，对应的设定值为“0”。Pr0.06与Pr0.07需组合使用，采用“1”和“3”组合的方式。指令脉冲形态用“脉冲序列符号”，正方向用低电平驱动。极性设定值为1，在上升沿时读取脉冲序列。用PULS2输出到PLC，PLC依据收到的脉冲数来判断机械手是否到位。用SIGN2输出到PLC，进行机械手运行方向的控制，低电平为正向，高电平为负向。Pr0.08是设置伺服电机转动
7、一圈的脉冲数，设置为6 000个脉冲。本文用到的直线运动传动组件的同步轮齿距为5 mm，共12个齿，旋转一周为60 mm。A5系列的伺服电机，电机编码器反馈脉冲为每圈2 500个。缺省情况下，电子齿轮分-倍频为4倍，可实现电机每转一圈向PLC输出脉冲为10 000个。为了方便计算，本文把指令脉冲电子齿轮分-倍频设置为10 000/6 000，实现电机每旋转一圈，向PLC输出6 000个脉冲，驱动机械手恰好移动60 mm的整数倍关系。这样位置分辨率，即每1个指令脉冲的移动量M=60 mm/6 000=0.01 mm，即100个脉冲驱动机械手走1 mm。2.2.3 接线根据硬件接线手册，伺服电机简
8、化接线图如图1所示。3 .程序设计程序设计软件使用STEP 7-MicroWIN，实现控制的方法有两种，一种是利用位置控制向导实现，另一种是利用脉冲输出指令库MAP实现。位置控制向导相对复杂，后期调试较困难。而脉冲输出指令库MAP控制方法简单，调试方便，本文采用这种方法。3.1 脉冲输出指令库MAPS7 200系列的PLC本体PTO提供了应用库MAP SERV Q0.0和MAP SERV Q0.1，分别用于Q0.0和Q0.1的脉冲串输出。本文用指令库MAP SERV Q0.0进行程序设计，应用该库时，一些输入输出点的功能被预先定义。在程序设计时，这些输入输出点不能再作他用。输出点Q0.0只能作
9、为脉冲输出，Q0.2作为方向输出，分别接到伺服电机的PULS2和SIGN2。输入点I0.0只能作为参考点输入，高速计数器只能使用HC0。3.2 程序设计步骤第一步，调用Q0_0_CTRL功能块，如图2所示。Velocity_SS是最小脉冲频率，是加速过程的起点和减速过程的终点。此处设为脉冲2 000个/s，依据前文算出的位置分辨率，M=0.01 mm，即电机最小速度为20 mm/s。Velocity_Max是最大脉冲频率，此处设为脉冲10 000个/s即电机最大速度为100 mm/s。在程序中其他地方设置的脉冲频率要在这个范围内，否则将会被Velocity_SS或Velocity_Max所取代
10、。accel_dec_time是加减速时间，设为0.5 s，即由最小速度加速到最大速度（或由最大速度减速到最小速度）所用时间为0.5 s。I0.1和I0.2分别是机械手传送装置的左限位保护开关和右限位保护开关。第二步，用Q0_0_Home功能块寻找参考点，如图3所示。在寻找过程的起始，电机首先以Start_Dir设定的方向，在本程序中M0.0为“0”，以负方向寻找参考点（M0.0为“1”，以正方向寻找参考点）。本文涉及的传输装置机械手一般位于参考点的正方向上，故采用负方向寻找参考点，即M0.0设置为“0”。寻找参考点时，以Homing_Fast_Spd的速 度 开 始 寻 找 ，Homing_
11、Fast_Spd 默 认 值 =Velocity_Max/2=5 000，即电机速度为50 mm/s。在碰到limit switch（“Fwd_Limit”or“Rev_Limit”）后，即左限位保护开关I0.1和右限位保护开关I0.2减速至停止，然后开始反方向寻找。当检测到参考点开关I0.0的上升沿时，减速到“Homing_Slow_Spd”。Homing_Slow_Spd的默认值=Velocity_SS=2 000，即电机速度为20 mm/s。如果此时的方向与“Final_Dir”（寻找参考点过程中的最后方向）相同，在检测到参考点开关下降沿时停止 运 动 ，将计 数 器HC0的计 数 值
12、设为“Position”中所定义的值，本文为“0”。如果当前方向与“Final_Dir”不同，则改变运动方向，这样就可以保证参考点始终在参考点开关的同一侧（具体是哪一侧取决于“Final_Dir”）。本文设置为参考点的右侧，所以电机在寻找参考点过程中的最后方向是负方向，“Final_Dir”的标志位相对地址+V0.2应该设置为“0”。第三步，调用Q0_0_LoadPos功能块。由于第二步找到的参考点位置与实际控制要求的参考点有一定的偏差，在本控制系统中偏差值为+15 mm，为了清晰地定义绝对位置，必须重新寻找参考点，使得原参考点失效。本文中15 mm对应的脉冲数为1 500个，因此“New_P
13、os”设置为“1 500”，如图4所示，用于将当前位置的绝对位置设置为预置值。第四步，调用Q0_0_MoveAbsolute功能块，让电机以指定的速度100 mm/s运动到指定的绝对位置600 mm处，如图5所示。延时3 s，再返回原点，如图6所示。基于PLC和伺服电机控制的输送站系统，可以使输送站在自动化生产线上的各个站点精准定位，使自动化生产线上的加工、装配、分检等站点连成一个整体，实现产品的自动化操作，提高生产效率，改善劳动条件。该控制系统用MAP指令库编程，方法简单，检修和维护方便，可在实际生产中推广应用。三自由度十字滑台能在三维立体空间的任意轨迹上运动、实现复杂的运动控制，是用来仿真
14、数控铣床编程的一种较常用的教学仪器。它的机械运动机构由滚珠丝杠构成，实现控制刀具在X轴、Y轴、Z轴的的三维运行；而它的电气系统则一般采用PLC控制，由伺服电机驱动与定位，丝杆与伺服电机轴之间采用弹性联轴器联接，使三自由度十字滑台运行平稳、走位精准，将铣床的所有运动状态完全展现出来。本文设计将采用 GE 公司的新一代控制器PAC RX3i 来替代传统的 PLC 做为十字滑台的控制中心。PAC RX3i是GE公司最新的高端控制系统，它集过程控制、离散控制和运动控制于一体，拥有比传统PLC更强大的控制功能和更开放的连通性。强大的开发工具Proney Machine Edition 具有快速的技术革新
15、能力，能够将原有的GE公司可编程控制平台的程序植入到该平台，实现了与旧控制系统的无缝衔接；另外，PAC RX3i 除了支持PLC 常用的梯形图语言编程外，还支持功能模块编程、C 语言编程等编程方式，编程语言丰富多样；它的背板总线支持PCI总线、Smart总线，拥有高达216 M的传输速度；所有I/O均支持中断且所有模块均支持热插拔等等优点，是 GE 公司 PACSysterms可编程控制器家族的成员1。PAC Motion 是基于 PAC RX3i 系统运动控制模块。它和PAC RX3i可以在同一个环境下编程，其编辑语言与PAC编辑语言相同，可以实现整个系统程序的无缝衔接；另外，与一些配置工具（定义轴、凸轮等）的连接也很方便，无需借助额外的连接器，能够有效减少工程费用。其核心部件PMM355 是以板卡的形式安装在 PAC 系统的 PCI底板上，可以达到33 M的数据交换速度；PMM335的集成I/O还能够做为硬件限位、探针、原点输入、增量主轴编码器输入、凸轮开关输出或者普通用途的I/O来使用；在系统连接时，可通过光纤连接伺服 FSSB，每个 PMM335 模块可以连接多达 4 个伺服放大器2。4.系统结构与主要器件本论文涉及的三自由度十字滑台控制系统采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优
