組合機(jī)床生產(chǎn)線加工及上下料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 燕，周 航

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，常熟 215500）

0 引言

自動(dòng)化生產(chǎn)線是依照所設(shè)定的工藝過程，將生產(chǎn)和加工各過程組合起來，完成上料、裝卸、下料和加工等工序的自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)控制和連續(xù)生產(chǎn)。加工的產(chǎn)品或零件在生產(chǎn)線各工位的工藝操作和輔助工作以及工序間的輸送等均能自動(dòng)進(jìn)行，生產(chǎn)線具有較高的自動(dòng)化程度。本文將探究自動(dòng)化生產(chǎn)線加工及上下料控制系統(tǒng)的電氣部分設(shè)計(jì)。針對(duì)其中圓柱形工件的加工工藝以及控制要求設(shè)計(jì)硬件、軟件等電路，以滿足組合機(jī)床生產(chǎn)線高效率、高質(zhì)量的自動(dòng)化加工需要。

1 組合機(jī)床加工生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)

組合機(jī)床加工自動(dòng)化生產(chǎn)線包含5個(gè)部分，分別為機(jī)械手橫軸、機(jī)械手豎軸、上料架、機(jī)床加工和回料倉(cāng)。自動(dòng)加工及上下料控制系統(tǒng)工作流程為：當(dāng)自動(dòng)給料架上放入工件后，給料架自動(dòng)將工件輸送到機(jī)械手所處的抓取位置。機(jī)械手從給料架中取出工件移動(dòng)到機(jī)床卡盤上，工件到位后，三相電機(jī)啟動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行加工。加工完成后，機(jī)械手將工件抓起并放入到旋轉(zhuǎn)氣缸中，工件到位后，對(duì)其進(jìn)行再加工，再加工完成的工件由機(jī)械手從旋轉(zhuǎn)氣缸取出，放入到回料倉(cāng)中，至此一個(gè)工件的循環(huán)加工過程完成。在加工運(yùn)行過程中如果按下停止按鈕，在完成將工件放回料倉(cāng)的動(dòng)作后機(jī)械手尋零復(fù)位，系統(tǒng)停止運(yùn)行，報(bào)警燈亮。各部分的檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)部分如圖1所示。

圖1 組合機(jī)床結(jié)構(gòu)圖模型

1）機(jī)械手橫軸由伺服電機(jī)M3帶動(dòng)，控制機(jī)械手在水平方向上的移動(dòng)。位置傳感器PH3（左限位）和PH5（右限位）確定機(jī)械手水平方向上的移動(dòng)范圍。位置傳感器PH4則用來確定水平方向上的參考零點(diǎn)位置。

2）機(jī)械手豎軸由步進(jìn)電機(jī)M4帶動(dòng)，控制機(jī)械手在垂直方向上的移動(dòng)。

位置傳感器PX4（上限位）和PX2（下限位）確定機(jī)械手垂直方向上的移動(dòng)范圍。位置傳感器PX3則用來確定垂直方向上的參考零點(diǎn)位置。機(jī)械手爪的夾緊與松開由電磁閥YV4的得失電控制。機(jī)械手爪為CAAP MHY系列氣缸。

3）直流電機(jī)M1通過皮帶帶動(dòng)上料架轉(zhuǎn)動(dòng)。位置傳感器PX1檢測(cè)料倉(cāng)位置，位置傳感器PH1檢測(cè)物料位置。

4）加工機(jī)床由機(jī)床卡盤和旋轉(zhuǎn)氣缸組成，電磁閥YV1控制機(jī)床卡盤動(dòng)作；電磁閥YV2、YV3K控制旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作；三相異步電機(jī)M2完成機(jī)床加工動(dòng)作。

5）位置傳感器PH2檢測(cè)物料回倉(cāng)。

2 組合機(jī)床生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)由檢測(cè)傳感元件、控制元件和執(zhí)行元件等部分組成。檢測(cè)傳感元件多為位置傳感器，用來檢測(cè)運(yùn)行過程中工件的具體位置，并將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給系統(tǒng)控制器；系統(tǒng)控制器采用PLC控制，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，并將處理完成的信號(hào)輸出至執(zhí)行元件。執(zhí)行元件接收到控制信號(hào)后完成加工控制的具體動(dòng)作。本系統(tǒng)中用到的控制元件還包含步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、繼電器和電磁閥。執(zhí)行元件有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、三相異步電機(jī)、氣缸和報(bào)警燈等。組合機(jī)床生產(chǎn)線總體控制方案如圖2所示。

圖2 控制方案圖

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收PLC控制器輸出的脈沖及方向信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)機(jī)械手水平移動(dòng)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收PLC控制器輸出的脈沖及方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手豎軸移動(dòng)。變頻器根據(jù)PLC I/O口輸出的狀態(tài)，控制三相異步電機(jī)的啟動(dòng)和停止。PLC的I/O輸出控制繼電器的通斷，由繼電器控制直流電機(jī)的啟停,進(jìn)而帶動(dòng)上料架轉(zhuǎn)動(dòng)。電磁閥的由PLC I/O口控制，以控制氣缸的動(dòng)作（夾緊與松開）。位置傳感器用于檢測(cè)機(jī)械手在橫軸或豎軸的移動(dòng)位置以及工件在控制過程中所處的位置，檢測(cè)到信號(hào)后，轉(zhuǎn)換為開關(guān)量輸入PLC。根據(jù)控制所需I/O點(diǎn)數(shù)，PLC選用S7-200系列224XP，外加一個(gè)EM 223擴(kuò)展模塊。PLC的I/O分配如表1所示。

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制

自動(dòng)化生產(chǎn)線橫軸移動(dòng)及位置檢測(cè)精度要求比較高，用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)定位控制。圖3為伺服驅(qū)動(dòng)器接線圖。選用合信伺服驅(qū)動(dòng)器E10匹配伺服電機(jī)CTSD M16-B2012-M100。伺服驅(qū)動(dòng)器E10的DI數(shù)字輸入信號(hào)有伺服使能、解除報(bào)警、順/逆時(shí)針行程限位、齒輪比切換、脈沖輸入禁止、零速鎖定、位置偏差清除等；DO輸出有伺服準(zhǔn)備好、報(bào)警輸出、定位完成、零速檢測(cè)輸出等。在位置控制模式時(shí)調(diào)整電子齒輪比可以設(shè)置單位指令脈沖對(duì)應(yīng)的電機(jī)速度以及位移量。假設(shè)編碼器分辨率為10000，則每轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)計(jì)算公為：每轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)編碼器分辨率。設(shè)置轉(zhuǎn)一圈2500個(gè)脈沖的方法如下：即將的結(jié)果定位4:1，可以設(shè)置成指令脈沖倍頻分母P88為100，分子P86(P87)設(shè)為400，這樣可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)一圈2500個(gè)脈沖的設(shè)置。

表1 I/O分配表

圖3 伺服控制系統(tǒng)接線圖

由圖3可知，通過編碼器線將伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)進(jìn)行連接。伺服電機(jī)接收來自驅(qū)動(dòng)器的電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩量和轉(zhuǎn)速值驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，并將角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值，通過內(nèi)置的高數(shù)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，從而判斷機(jī)械手在橫軸水平運(yùn)動(dòng)過程中所處的位置。通過改變控制脈沖數(shù)的大小，就可控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，從而控制機(jī)械手在橫軸方向上的水平移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在橫軸上的精確定位。

圖4 步進(jìn)控制系統(tǒng)接線圖

2.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制

自動(dòng)化生產(chǎn)線的豎軸移動(dòng)及位置檢測(cè)采用步進(jìn)電機(jī)控制，接線如圖4所示。采用2M530步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，并選擇與之配套的兩相步進(jìn)電機(jī)Kinco，其步距角為1.8度，額定電壓為24V，相電流3A。步進(jìn)電機(jī)的A+、A-、B+、B-四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別通過信號(hào)線由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制?？刂撇竭M(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖數(shù)和脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在垂直方向上的準(zhǔn)確定位和調(diào)速。2M530步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器采用雙極型恒流驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于3.5A時(shí)，它可以驅(qū)動(dòng)任何兩相雙極型步進(jìn)電機(jī)。通過調(diào)整DIP開關(guān)，改變對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出的相電流，實(shí)現(xiàn)與不同規(guī)格步進(jìn)電機(jī)的配合使用。采用專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，具有最高可達(dá)256/200的細(xì)分功能，細(xì)分可以通過DIP開關(guān)設(shè)定，保證提供最好的運(yùn)行平穩(wěn)性能。如8細(xì)分的驅(qū)動(dòng)方式下步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收200×8=1600個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。

表2 MAP應(yīng)用庫(kù)中各塊對(duì)應(yīng)的功能

圖5 生產(chǎn)線軟件控制流程圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

按照自動(dòng)加工工藝要求設(shè)計(jì)其軟件程序，控制流程如圖5所示。

S7-200提供了脈寬調(diào)制(PWM)、脈沖串輸出(PTO)、EM253位控模塊三種方式的開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。本次設(shè)計(jì)中采用S7-200本體PTO提供的應(yīng)用庫(kù)MAP SERV Q0.0和MAP SERV Q0.1分別用于Q0.0與Q0.1脈沖串輸出控制伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床橫軸與縱軸的定位控制。應(yīng)用庫(kù)MAP如圖6所示，其中各個(gè)塊的功能如表2所示，這些程序塊全部基于S7-200內(nèi)置的PTO輸出，通過相應(yīng)的程序塊設(shè)置完成組合機(jī)床橫軸和縱軸的運(yùn)動(dòng)控制功能。選擇MAP應(yīng)用庫(kù)來輸出脈沖具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）只要知道距離值就可以利用MAP應(yīng)用庫(kù)中的對(duì)應(yīng)的功能塊直接轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)，避免了大量繁瑣的計(jì)算。

2）由于MAP庫(kù)中有參數(shù)定義、尋找參考點(diǎn)位置、停止運(yùn)動(dòng)、將距離值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)等對(duì)應(yīng)的功能塊，所以在程序的編寫時(shí)只需直接調(diào)用所需的塊，修改對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可。

圖6 MAP SERV應(yīng)用庫(kù)

這樣為編程人員節(jié)省了大量的時(shí)間，并且當(dāng)在調(diào)試的過程中遇到問題時(shí)，只需修改對(duì)應(yīng)功能塊參數(shù)即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)生產(chǎn)線組合機(jī)床加工的要求，結(jié)合工件加工工藝設(shè)計(jì)了一種針對(duì)生產(chǎn)線自動(dòng)加工及上下料的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于PLC控制能實(shí)現(xiàn)工件的上料、裝卸、下料和加工等工序的自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)，運(yùn)行可靠。該系統(tǒng)投入到實(shí)際生產(chǎn)，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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