基于PLC和步進(jìn)電機(jī)的立體倉庫存儲(chǔ)系統(tǒng)精確定位控制設(shè)計(jì)

李庭貴

（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，瀘州 646005）

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行設(shè)備。在非超載的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，因此步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于精密控制場合[1]。

自動(dòng)化立體倉庫也稱立庫，是在不直接進(jìn)行人工參與的情況下自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出物料的系統(tǒng)，采用高層貨架存儲(chǔ)貨物，用專門的倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備進(jìn)行貨物出入庫作業(yè)。其具體功能是：在接收工位接收送料單元送來的工件，按照工件信息而自動(dòng)運(yùn)送至相應(yīng)倉位，并將工件推入立體倉庫指定位置存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體倉庫存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由PLC控制模塊、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊、絲桿驅(qū)動(dòng)模塊、工件推出模塊、立體倉庫、氣源處理組件等部件組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 精確定位原理

PLC每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角度，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)X軸絲桿做左右直線運(yùn)動(dòng)或Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)Z軸絲桿做上下直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的上、下、左、右運(yùn)動(dòng)。通過控制X軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)，就可以控制載物臺(tái)在X軸、Z軸上移動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)在X—Z軸平面的精確定位，從而把物體放到倉庫的指定位置。當(dāng)PLC輸出5000個(gè)脈沖時(shí)，平移距離為3.125cm（平移距離=步距角×脈沖個(gè)數(shù)×螺距/360o），輸出脈沖為10000時(shí)平移距離理論值為6.25cm。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制模塊

立體倉庫精確定位存儲(chǔ)控制系統(tǒng)選用西門子S7-200系列的CPU 224 CN作為控制器。它有24個(gè)I/O點(diǎn)（14輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)出），具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，而且具有高速脈沖輸出（PTO）功能，可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)硬件控制接線圖如圖2所示。

2.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊由步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器組成。倉庫立體存儲(chǔ)系統(tǒng)有兩套步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，分別控制X軸、Z軸的絲桿運(yùn)動(dòng)。

圖1 立體倉庫精確定位存儲(chǔ)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 立體倉庫存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件控制接線圖

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收PLC發(fā)出的高速脈沖信號(hào)及方向電平信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向由方向電平控制；步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度由脈沖信號(hào)的頻率控制；步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度由脈沖信號(hào)的數(shù)目控制。

選用四相步進(jìn)電機(jī)42J1834-810，與之配套的驅(qū)動(dòng)器選用美國IMS公司生產(chǎn)的M415B細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其細(xì)分功能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度提高，振動(dòng)減小，雜訊降低，且具有光隔離信號(hào)輸入（抗干擾），靜止時(shí)電流減半，電源接反保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。

42J1834-810 步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8o，即在無細(xì)分的條件下，200個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈（200×1.8=360o）。通過驅(qū)動(dòng)器設(shè)置細(xì)分精度，最高可以達(dá)到12800個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M415B細(xì)分設(shè)定由撥碼開關(guān)SW4、SW5、SW6設(shè)定，如表1所示。設(shè)置SW4=ON、SW5= OFF、SW6=ON，細(xì)分設(shè)置為800步數(shù)/圈，即800個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，此時(shí)步距角為（800×0.45=360o）。

步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)組件采用聯(lián)軸器直接帶動(dòng)螺旋絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋絲杠的螺距為5mm，即步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，載物臺(tái)位移5mm。通過控制載物臺(tái)在X-Z軸平面的運(yùn)動(dòng)，從而把工件運(yùn)送到倉庫的指定位置。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M415B輸出相電流設(shè)定由撥碼開關(guān)SW1、SW2、SW3設(shè)定，如表2所示。設(shè)置SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF，輸出相電流為1.05A。

表1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M415B細(xì)分設(shè)定表

表2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M415B輸出相電流設(shè)定表

圖3 立體倉庫存儲(chǔ)系統(tǒng)氣動(dòng)控制原理圖

表3 立體倉庫精確定位存儲(chǔ)系統(tǒng)I/O端口分配表

2.3 絲桿驅(qū)動(dòng)模塊

絲桿驅(qū)動(dòng)模塊是將步進(jìn)電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩套絲桿驅(qū)動(dòng)模塊成90度垂直安裝，形成一個(gè)X-Z軸的平面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。在兩個(gè)絲桿驅(qū)動(dòng)模塊上均設(shè)有一個(gè)零點(diǎn)，用以校正位置及提供一個(gè)位置參考點(diǎn)。同時(shí)為了防止絲杠驅(qū)動(dòng)模塊過沖而產(chǎn)生機(jī)械物理損傷，在絲桿驅(qū)動(dòng)模塊的極限位置均裝有碰撞保護(hù)開關(guān)，用來防止絲桿驅(qū)動(dòng)模塊過沖。

2.4 工件推出模塊

工件推出模塊采用氣動(dòng)控制系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，1A為雙作用氣缸，1B1和1B2為磁感應(yīng)式接近開關(guān)，判斷氣缸的運(yùn)動(dòng)位置。1Y1為兩位五通電磁換向閥控制雙作用氣缸的運(yùn)動(dòng)，立體倉庫存儲(chǔ)系統(tǒng)的氣動(dòng)控制原理圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 I/O口分配

立體倉庫精確定位存儲(chǔ)控制系統(tǒng)的PLC I/O口分配表如表3所示。

3.2 程序設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要由主程序、Q0.0（控制X軸電機(jī)）輸出脈沖子程序、Q0.1（控制Z軸電機(jī)）輸出脈沖子程序等模塊組成。

3.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序首先檢測絲杠的運(yùn)動(dòng)方向，裝入脈沖串值，然后調(diào)用Q0.0（控制X軸電機(jī)）輸出脈沖子程序、Q0.1（控制Z軸電機(jī)）輸出脈沖子程序，并判斷脈沖串輸出是否完成，最后判斷定位是否完成。主程序流程圖如圖4所示。

3.2.2 Q0.0、Q0.1輸出脈沖子程序設(shè)計(jì)

表4 多段PTO操作的包絡(luò)表設(shè)置

圖4 主程序流程圖

S7-200CPU提供兩個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)（Q0.0和Q0.1），通過PLC編程控制脈沖的周期（頻率）和個(gè)數(shù)，利用脈沖輸出指令（PLS），通過PTO編程，可在高速脈沖輸出點(diǎn)（Q0.0和Q0.1）上控制脈沖串輸出，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

圖5 Q0.0（控制X軸）輸出脈沖子程序流程圖

圖6 Q0.1（控制Z軸）輸出脈沖子程序流程圖

PTO編程步驟：1）設(shè)置PTO/PW控制字；2）寫入周期值；3）寫入脈沖串計(jì)數(shù)值；4）連接中斷事件、中斷服務(wù)程序，允許中斷；5）執(zhí)行PLS指令，對(duì)PTO進(jìn)行編程。

設(shè)置PTO控制字（允許PTO多段操作模式）和設(shè)置多段PTO操作包絡(luò)表，控制Q0.0、Q0.1輸出脈沖串，如表4所示。

通過PLC的Q0.0輸出脈沖串，控制X軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，Q0.0（控制X軸）輸出脈沖子程序流程圖如圖5所示。

通過PLC的Q0.1輸出脈沖串，控制Z軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，Q0.1（控制Z軸）輸出脈沖子程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。側(cè)重闡述了采用西門子S7-200系列的 CPU-224 PLC，輸出PTO脈沖信號(hào)控制X—Z軸平面的M415B步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)42J1834-810運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)X—Z軸平面的絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)載物臺(tái)上、下、左、右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了載物臺(tái)在X—Z軸平面的精確定位控制，把物體存儲(chǔ)到立體倉庫的指定位置。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定流暢，效果良好。

本系統(tǒng)以自動(dòng)化立體倉庫為研究對(duì)象，其方法、原理和技術(shù)可擴(kuò)展到機(jī)械、冶金、化工、航空航天、電子、醫(yī)藥、食品加工、煙草、印刷、配送中心、機(jī)場、港口等行業(yè)，具有一定的工程實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 黃會(huì)雄.一種智能視頻監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,6-1:115-117.

[2] 章國華,蘇東.典型生產(chǎn)線原理、安裝與調(diào)試(西門子PLC版本)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.

[3] 陶權(quán),韋瑞錄.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.