基于PLC 和伺服定位在多功能裝箱機(jī)中精確定位的應(yīng)用

王立之

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210024;2.昆山永邦自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215316)

0 引言

在家用電器、手機(jī)、手提計(jì)算機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品、智能終端、玩具業(yè)等產(chǎn)業(yè)中，它們的外形封裝、框架結(jié)構(gòu)、按鍵等大部分是由塑料制品完成，這些產(chǎn)業(yè)都與塑料產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。近十幾年來(lái)，隨著這些產(chǎn)業(yè)的不斷更新?lián)Q代，注塑成型業(yè)也得到迅猛發(fā)展。特別近年來(lái)，隨著人力資源成本的不斷上漲，注塑企業(yè)為了降低成本，自動(dòng)化設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。移載機(jī)和機(jī)械手得到了廣泛應(yīng)用。

在移載機(jī)或機(jī)械手的一般應(yīng)用中，一般應(yīng)用變頻器或伺服系統(tǒng)。在逐個(gè)夾取堆疊中的物品，通常采取以兩個(gè)光電檢測(cè)來(lái)確定夾取點(diǎn)位，第一個(gè)光電檢測(cè)用于減速，后一個(gè)停止夾取。在一些對(duì)點(diǎn)位精度要求不高的情況下，這樣方案能滿足設(shè)計(jì)要求。但因?yàn)楣怆姍z測(cè)響應(yīng)時(shí)間、速度變更、加減速時(shí)間變更等相關(guān)影響，每次停止點(diǎn)位都有細(xì)微誤差，這不能滿足對(duì)停止點(diǎn)位的精確度有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出一種新的方法，利用伺服系統(tǒng)精確度高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)PLC 精確計(jì)算來(lái)確定停止夾取點(diǎn)。并把這個(gè)新方法應(yīng)用到注塑行業(yè)廣泛需求的多功能裝箱機(jī)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及工藝流程的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

利用PLC 具有強(qiáng)大的邏輯處理能力、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好及特別適用工業(yè)自動(dòng)化控制中的優(yōu)點(diǎn)，和伺服系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出類似于機(jī)械手的多功能裝箱機(jī)，代替人工作業(yè)。以達(dá)到提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品合格率和安全性，也降低生產(chǎn)成本的要求。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)主要由三部分組成:搬入膠箱，取膠箱，產(chǎn)品裝箱，放膠箱，搬出膠箱。簡(jiǎn)易工作流程結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 多功能裝箱機(jī)流程結(jié)構(gòu)

搬入膠箱和搬出膠箱分別由搬入地面?zhèn)魉蛶Ш桶岢龅孛鎮(zhèn)魉蛶瓿桑鶕?jù)實(shí)際需要可以適當(dāng)?shù)卦黾拥孛鎮(zhèn)魉蛶У拈L(zhǎng)度即工位數(shù)。這樣，可以人為延長(zhǎng)放置空膠箱的間隔時(shí)間，達(dá)到每天僅需放置一次膠箱，即可滿足一天的生產(chǎn)要求。

工作流程中的取膠箱、產(chǎn)品裝箱、放膠箱，主要由移動(dòng)夾具(類似于機(jī)械手)完成。移動(dòng)夾具由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)來(lái)定位，這樣可以精確地取走和放置每一個(gè)膠箱。根據(jù)不同產(chǎn)品要求，僅需對(duì)參數(shù)適當(dāng)設(shè)定，可以放置不同規(guī)格的膠箱。移動(dòng)夾具的工作流程圖如圖2 所示。

產(chǎn)品裝箱工作流程主要是移動(dòng)夾具配合從注塑機(jī)中取出產(chǎn)品的機(jī)械手工作。因?yàn)橐苿?dòng)夾具的驅(qū)動(dòng)是使用伺服系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，故可以完成復(fù)雜的裝箱功能。這個(gè)功能可以滿足目前仍大量使用的氣缸機(jī)械手的要求。產(chǎn)品裝箱的流程圖如圖3 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)選用國(guó)產(chǎn)的信捷PLC，型號(hào)為XC2-48T-E，它用晶體管輸出，NPN 型，28 個(gè)輸入點(diǎn)，20 個(gè)輸出點(diǎn)，其中含有兩組脈沖高達(dá)200 kHz 的輸出端口，兩組計(jì)數(shù)脈沖高達(dá)80 kHz 的輸入端口，其滿足本設(shè)計(jì)要求。PLC 的輸入輸出接線如圖4 所示。

圖4 PLC 輸入輸出接線

伺服系統(tǒng)選用松下MINAS A5 系列，松下MINAS A5系列是新推出用于代替A4 系類，它相比于A4，具有更高的速度頻率，定位超調(diào)整時(shí)間更短，控制精度更高，可實(shí)現(xiàn)更高速的定位。伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MBDHT1510，電動(dòng)機(jī)功率為400 W、高慣量、增量式編碼器的三相交流伺服電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為MHMD042G。其中垂直軸(z 軸)要特別注意，在突然斷電情況下，如沒有使用制動(dòng)裝置即剎車裝置，因自重而下墜，損壞設(shè)備裝置。故垂直軸需要使用含有剎車裝置的伺服電動(dòng)機(jī)。

本設(shè)計(jì)伺服控制模式選用位置控制模式，指令脈沖輸入處理采用脈沖列+符號(hào)。具體參數(shù)設(shè)置如:控制模式設(shè)定(參數(shù)代碼001)設(shè)為位置模式;指令脈沖輸入模式設(shè)定(參數(shù)代碼007)，設(shè)為“脈沖數(shù)量+脈沖方向”方式。因本設(shè)計(jì)要求移動(dòng)速度高和加減速度大，故要增加外部再生放電電阻，并同時(shí)需對(duì)再生放電電阻的選擇(參數(shù)代碼016)進(jìn)行設(shè)定。又因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中有垂直軸，為了防止突然斷電，故垂直軸需使用含有制動(dòng)器的伺服電動(dòng)機(jī)，為了使外設(shè)制動(dòng)器解除輸出與電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行相一致，解除制動(dòng)器的信號(hào)應(yīng)使用伺服內(nèi)部同步信號(hào)，對(duì)機(jī)械制動(dòng)器參數(shù)(參數(shù)代碼437、438)也要設(shè)定。最要的是電子比的計(jì)算及設(shè)定，為了實(shí)現(xiàn)輸入的脈沖數(shù)與實(shí)際移動(dòng)的值相一致，以便于系統(tǒng)測(cè)試調(diào)整，故需對(duì)此進(jìn)行設(shè)定;電子齒輪比主要與減速比、帶輪直徑、分辨率、編碼器位數(shù)等有關(guān)，操作手冊(cè)上有詳細(xì)計(jì)算公式;通過(guò)選擇合適的分辨率，對(duì)電子比(參數(shù)代碼008、009、010)進(jìn)行設(shè)定;若設(shè)定正確，當(dāng)分辨率取0.01 mm，根據(jù)公式設(shè)定電子比后，PLC 輸出給伺服系統(tǒng)100 個(gè)脈沖，移動(dòng)夾具則移動(dòng)1 mm。伺服驅(qū)動(dòng)器的接線如圖5 所示。

圖5 伺服系統(tǒng)接線

觸摸屏便于人機(jī)信息交換。使用觸摸屏后，在觸摸屏上設(shè)置軟按鈕，可以省去很多實(shí)物按鈕開關(guān)，并且可以直接在觸摸屏上進(jìn)行操作，方便于數(shù)據(jù)輸入和查詢。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制主流程圖

根據(jù)控制要求，建立多功能裝箱機(jī)的主控制流程圖(圖6)。

圖6 系統(tǒng)主控制流程圖

3.2 伺服脈沖程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，需要使用有關(guān)于伺服輸出脈沖控制的指令，本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是‘相對(duì)位置多段脈沖控制’的32 位指令DPLSR。在使用脈沖輸出指令時(shí)，要特別注意，同樣的指令控制某個(gè)脈沖輸出端口，在整個(gè)程序中只能出現(xiàn)一次，也就說(shuō)在脈沖輸出指令使用前面，要增加多層中間寄存器過(guò)渡。另外，在脈沖輸出指令執(zhí)行完成后，要及時(shí)復(fù)位其執(zhí)行條件寄存器，不然程序會(huì)出故障，造成系統(tǒng)不能正常工作。通常都是用PLC 系統(tǒng)的內(nèi)部的脈沖輸出特殊寄存器來(lái)及時(shí)復(fù)位(本設(shè)計(jì)中是M8170 和M8173)，具體相關(guān)程序的部分如下:

3.3 移動(dòng)夾具原點(diǎn)回歸程序設(shè)計(jì)

因?yàn)槭褂玫氖窃隽渴剿欧妱?dòng)機(jī)，故每次重新開機(jī)需對(duì)系統(tǒng)做原點(diǎn)回歸。移動(dòng)夾具原點(diǎn)回歸如圖7 所示。

圖7 移動(dòng)夾具原點(diǎn)回歸

3.4 移動(dòng)夾具運(yùn)行及其精確定位的程序設(shè)計(jì)

移動(dòng)夾具移動(dòng)程序是本設(shè)計(jì)的主要部分。移動(dòng)夾具的控制流程圖見圖8。

圖8 移動(dòng)夾具控制流程圖

而移動(dòng)夾具抓取點(diǎn)是否精確，是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它是充分利用伺服定位精確和PLC 數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。定位處理及計(jì)算的主要程序如下:

搬出側(cè)相對(duì)于搬入側(cè)，區(qū)別僅在于其商m 不需要加1，因?yàn)榘崛雮?cè)是取走檢測(cè)到的膠箱，而搬出側(cè)是放置在檢測(cè)到的膠箱上一層。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了PLC 結(jié)合伺服系統(tǒng)在多功能裝箱機(jī)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。充分利用PLC 強(qiáng)大的邏輯處理能力、伺服系統(tǒng)控制精度高、觸摸屏便于人機(jī)交流等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出夾取定位精度高的多功能裝箱機(jī)。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)中應(yīng)用證明，硬件運(yùn)行可靠，極大地提高了生產(chǎn)效率，顯著地提高產(chǎn)品合格率，取得了良好的效果，有較高的使用和推廣價(jià)值。

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