單軸伺服控制在桁架系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬俊慶

(大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116620)

單軸伺服控制在桁架系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬俊慶

(大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116620)

傳統(tǒng)的桁架系統(tǒng)一般采用數(shù)控系統(tǒng)控制桁架各個(gè)軸的伺服電機(jī)，文章介紹了一種單軸伺服控制桁架系統(tǒng)的控制方案及其工作原理。該方案既降低了成本，同時(shí)又保留了桁架柔性線的應(yīng)有優(yōu)點(diǎn)。文中以發(fā)動機(jī)柔性生產(chǎn)線為例介紹了整個(gè)桁架系統(tǒng)的整體布局、控制原理、手輪應(yīng)用以及可實(shí)現(xiàn)的功能。

桁架；耦合器；伺服放大器；手輪；高速計(jì)數(shù)模塊

0 引言

在機(jī)械制造領(lǐng)域越來越流行敏捷柔性制造系統(tǒng)，所謂柔性是指用戶可以通過修改程序調(diào)整加工內(nèi)容，適用于不斷更換品種的加工場合。由桁架機(jī)械手組成的柔性線具有空間利用率高，不影響地面物流系統(tǒng)，設(shè)備工藝調(diào)整靈活等優(yōu)勢。但柔性線由于采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，一般造價(jià)較高。本文介紹一種單軸伺服控制桁架系統(tǒng)，既降低了成本，同時(shí)又具有桁架柔性線的應(yīng)有優(yōu)點(diǎn)。

1 桁架輸送系統(tǒng)的整體布局

本文為加工汽車發(fā)動機(jī)缸體設(shè)備組成的柔性生產(chǎn)線，整體布局如圖1。整個(gè)生產(chǎn)線由3臺通用加工設(shè)備(加工中心)、1臺專用組合機(jī)床及桁架輸送系統(tǒng)組成。其中桁架輸送系統(tǒng)包括兩個(gè)機(jī)械手(A手和B手)，3個(gè)立柱，1個(gè)橫梁。其對應(yīng)的坐標(biāo)軸分別為：橫向移動為X軸；A手垂直移動為Z1；B手垂直移動為Z2。

動作順序： A手抓料(上料工位)—X軸橫移—B手抓料(C1)—X軸橫移—A手放料(C1)—X軸橫移— A手抓料(C2)—X軸橫移—B手放料(C2)—X軸橫移—B手抓料(C3)—X軸橫移—A手放料(C3)—X軸橫移—A手抓料(C4)—X軸橫移—B手放料(C4)—X軸橫移—A手放料(下料工位)。 其中抓料動作：Z1/Z2下降—A/B手夾緊—Z1/Z2上升；放料動作：Z1/Z2下降—A/B手松開—Z1/Z2上升。

圖1 柔性生產(chǎn)線整體布局圖

2 控制系統(tǒng)的組態(tài)連接原理

控制系統(tǒng)的連接及組態(tài)如圖2?？刂葡到y(tǒng)的主要組成部分包括：PLC、伺服放大器、DP Coupler、觸摸屏、手輪、伺服電機(jī)等。本文以歐姆龍CJ1的PLC控制Rexroth IndraDriver單軸伺服放大器為例進(jìn)行介紹。

圖2 控制系統(tǒng)的連接

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：首先由PLC通過Profibus總線連接伺服放大器及各個(gè)單機(jī)(C1～C4)的DP Coupler(耦合器)，從而組成一個(gè)Profibus總線網(wǎng)絡(luò)。其中X、Z1、Z2軸伺服放大器的Profibus網(wǎng)絡(luò)地址為：2；3；4；各個(gè)單機(jī)(C1～C4)的地址為：11；12；13；14。然后再通過單軸伺服放大器控制各軸伺服電機(jī)。手輪連接到PLC的高速計(jì)數(shù)模塊，通過PLC程序運(yùn)算將手輪的旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及方向轉(zhuǎn)換為伺服運(yùn)動命令值。觸摸屏通過RS232接口連接到PLC，對桁架系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)界面控制。

網(wǎng)絡(luò)組態(tài)：在歐姆龍組態(tài)軟件中將每個(gè)伺服放大器配置20個(gè)字節(jié)輸入，地址為3510；20個(gè)字節(jié)輸出，地址為3520的通訊字，如圖3所示。

通訊配置：在Rexroth驅(qū)動器中配置Profibus通訊字，其中控制信號20個(gè)字節(jié)，狀態(tài)信號20個(gè)字節(jié)。如圖4控制信號有：控制字P-0-04077(2個(gè)字節(jié))；定位命令值S-0-0282(4個(gè)字節(jié))；定位速度值S-0-0259(4個(gè)字節(jié))；位置命令值S-0-0047(4個(gè)字節(jié))；

狀態(tài)信號有：狀態(tài)字P-0-4078(2個(gè)字節(jié))；S-0-0386(4個(gè)字節(jié))；S-0-0040(4個(gè)字節(jié))；S-0-0084(2個(gè)字節(jié))；S-0-0346(4個(gè)字節(jié))；P-0-0434(4個(gè)字節(jié))。

參數(shù)設(shè)置：主操作模式為“驅(qū)動器控制的定位模式”；次操作模式為“驅(qū)動器控制的定位模式”；第三操作模式為“循環(huán)輸入的位置命令模式”。

圖3 3520通訊地址

圖4 控制信號

3 手輪連接及工作原理

手輪連接高速計(jì)數(shù)模塊，如圖5。手輪連接一般有兩種電壓：5V和24V(本例采用5V電壓)。手脈采用5V差動帶A、B相TTL方波形式。高速計(jì)數(shù)模塊型號為：CJ1W-CT021。將手輪的A相信號和B相信號分別連接高速計(jì)數(shù)模塊A端口的9管腳(A相+)和11管腳(B相+)。手輪正極信號連接高速計(jì)數(shù)模塊A端口的8和10管腳，并接通外部電源+5v；手輪負(fù)極信號直接連接外部電源0v；手輪使能、點(diǎn)動按鈕、軸選、倍率開關(guān)連接到PLC輸入模塊。

手輪工作原理：當(dāng)手輪使能按鈕激活時(shí)，PLC程序?qū)⒖刂谱值牡?為置1，通過Profibus總線將伺服軸切換為“循環(huán)輸入的位置命令模式”；同時(shí)讀伺服軸的當(dāng)前位置反饋值，寫入位置值記憶字中(只在一個(gè)脈沖周期)。高速計(jì)數(shù)模塊字長為雙字，地址為2000。程序通過高速計(jì)數(shù)模塊讀取手輪的數(shù)值，并在手輪使能按鈕激活時(shí)將手輪初始值寫入初始值記憶字中(只在一個(gè)脈沖周期)。當(dāng)搖手輪時(shí)，讀取高速計(jì)數(shù)模塊的值減去初始值記憶字加上位置值記憶字，再乘以手輪倍率，傳送到位置命令值(S-0-0047)當(dāng)中。(如圖5)。由于伺服放大器的操作模式是循環(huán)輸入模式，所以手輪每搖動一格，位置命令值(S-0-0047)中的數(shù)值也按一定比例相應(yīng)改變，從而實(shí)現(xiàn)伺服軸的實(shí)時(shí)移動控制。

圖5 手輪連接高速計(jì)數(shù)模塊

4 桁架系統(tǒng)自動工作原理

在機(jī)床自動模式下，通過Profibus總線將伺服軸設(shè)置為“驅(qū)動器控制的定位模式”。PLC程序?qū)⒛繕?biāo)位置、移動速度經(jīng)過浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)雙字功能塊轉(zhuǎn)換后再乘以10000，將結(jié)果分別傳送給定位命令值S-0-0282及定位速度值S-0-0259；將啟動信號(控制字第0位)置1，則伺服軸按照指定速度移動到目標(biāo)位置。以上為其中一個(gè)軸移動一個(gè)位置的舉例。整個(gè)桁架系統(tǒng)按照桁架系統(tǒng)的固定動作，通過PLC程序中的位移功能塊(如圖6)，進(jìn)行順序動作。同時(shí)由桁架系統(tǒng)與各個(gè)單機(jī)組成Profibus網(wǎng)絡(luò)，通過耦合器與單機(jī)交換信號。交換的信號包括：抓料請求、放料完成、夾緊松開、加工完成、有料無料、機(jī)床原位等信號。

圖6 系統(tǒng)位移功能塊

本文介紹的方案可實(shí)現(xiàn)：通過電子手輪對X、Z1、Z2三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行位置調(diào)整，并且通過上輪上的倍率旋鈕選擇不同的速度；通過上料工位及機(jī)械手夾抓上的識別開關(guān)可自動識別工件類型，并通過Profibus耦合器，調(diào)用每臺單機(jī)相應(yīng)的加工程序；通過觸摸屏可實(shí)現(xiàn)對桁架系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控及修改位置數(shù)據(jù)；通過觸摸屏還可以修改各個(gè)伺服軸的目標(biāo)位置及移動速度等，并可監(jiān)控目標(biāo)各軸實(shí)際位置、速度、扭矩等狀態(tài)，虛擬出類似數(shù)控系統(tǒng)的功能。如圖7。

圖7 虛擬數(shù)控系統(tǒng)

5 結(jié)束語

當(dāng)前制造業(yè)的發(fā)展，對設(shè)備的配置需求也有不同。通過本文的介紹，可以了解一種單軸伺服控制桁架系統(tǒng)的控制方案及其工作原理，其中手輪的工作原理是主要亮點(diǎn)之一。本案例對使用桁架輸送系統(tǒng)，成本控制較嚴(yán)格的用戶，提供了一個(gè)較為理想的解決方案。

[1] 吳平.用于缸體三軸孔機(jī)床上下料的桁架機(jī)械手設(shè)計(jì)[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2009(3):72-74.

[2] 李瑾,于福才,李婕.配有桁架機(jī)械手、可換箱機(jī)床的缸體柔性加工自動線的開發(fā)研制[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2009(7):86-89.

[3] 李玉榮.工業(yè)制動器缸體桁架機(jī)械手自動線應(yīng)用開發(fā)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012(8):113-116.

[4] 梁桂明，唐建銳.一種自動化生產(chǎn)線中桁架式機(jī)械手的控制方案[J].日用電器，2013(8):58-61.

(編輯 趙蓉)

Application of Gantry Loader System Controlled by Single-axis Servo

MA Jun-qing

(Dalian Machine Tool Group Co.,Ltd.,Dalian Liaoning 116620，China)

In most cases, conventional gantry loader system uses CNC system to control servo motor on each axis, this paper introduces a plan for a gantry loader system controlled by single-axis servo and how it works. This control plan not only reduces costs, but also retains the advantages that are born to have in gantry flexible line. In this paper, it presents overall layout, control principle, hand wheel applications and functions that can be achieved throughout the entire gantry loader system by the example of engine diesel project.

gantry;coupler; servo amplifier; handwheel; high-speed counter unint

1001-2265(2014)06-0083-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.023

2014-04-08；

2014-04-28

馬俊慶(1969—)，男，遼寧大連人，大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司高級工程師，主要負(fù)責(zé)機(jī)床電氣設(shè)計(jì)，(E-mail)mjq@dmtg.com。

TH166;TG65

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