一種自動過數(shù)平臺的伺服定位方法研究與實現(xiàn)

梅許文，劉 鵬

(1.成都信息工程學院 電子工程學院，成都 610225；2.成都信息工程學院 控制工程學院，成都 610225)

0 引言

在現(xiàn)代某些特種印刷業(yè)的生產(chǎn)過程中，每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要對紙張數(shù)量嚴格檢點，過程中對紙張邊緣不能損傷，當前，國內(nèi)工廠里仍然普遍使用人工操作的辦法，而人工操作一直面臨著工作量繁重以及對操作規(guī)程要求很高等問題，另外，因為工作熟練度的問題，高效率不能持續(xù)保證，為此，開發(fā)一種全自動化的設(shè)備成為了行業(yè)必需。

可編程序控制器（PLC）是一種在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的控制器，它的控制模式多樣，其中，順序控制功能極大的方便了對一些動作流程順序性要求很高場合的控制，本文介紹的便是一個典型的應(yīng)用案例。

本課題在自動過數(shù)流水線平臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，對其控制系統(tǒng)進行了設(shè)計和實現(xiàn)，系統(tǒng)中涉及到的較長距離運動控制，本文著重分析了運動中的伺服定位方法；順序控制使用西門子S7300PLC自有的S7Graph圖形化編程語言，最終完成了系統(tǒng)各項控制要求。

1 自動過數(shù)平臺的結(jié)構(gòu)和動作

1.1 自動過數(shù)平臺的結(jié)構(gòu)

如圖1所示為自動過數(shù)平臺平面示意圖，其中含有各個位置的定位銷（自右上方往左下方向依次命名為定1、側(cè)1、定2、定34、側(cè)2）、橫向和縱向機械手?？v向機械手旁有一臺過數(shù)機（圖中圓圈位置），定位銷通過PLC控制上下升降，以實現(xiàn)對紙垛的定位和規(guī)正；機械手的夾爪動作實現(xiàn)對紙垛的抓取，其中橫向機械手通過伺服電機的傳動實現(xiàn)前后運動，縱向機械手將紙垛拉入過數(shù)機區(qū)域進行過數(shù)。

圖1 自動過數(shù)平臺示意圖

1.2 自動過數(shù)平臺的工作原理

以運送一垛紙為例，首先，橫向機械手抓取紙垛之后被伺服電機帶動高速后退至預停2位（距離定2前方5mm處）；電機轉(zhuǎn)為低速，橫向機械手精確運行至定2處停；縱向機械手進入抓取并返回原位使用過數(shù)機過數(shù)；過數(shù)完畢縱向機械手1將紙垛送回（此時紙垛緊靠側(cè)1）。過數(shù)機過數(shù)期間，橫向機械手1降至平臺下并被伺服電機帶動返回原位，等待下一次抓取。

當過數(shù)1區(qū)域人工放置第二垛紙動作后，橫向機械手1后退過程中將第一垛紙背推至過數(shù)2區(qū)域，橫向機械手2抓取后退一定距離后，向前回推紙垛靠近定34；縱向機械手2進入抓取，拉回原位過數(shù)，之后的流程如過數(shù)1。

每一垛紙過數(shù)兩次的原因是要確保數(shù)量準確，兩次過數(shù)完畢以后，橫向機械手2將紙垛后推至后面的機器平臺進行其他操作，整個運動過程都是在伺服電機的帶動下進行，且定位要求精確，時間節(jié)拍必須符合設(shè)計要求。

2 以西門子PLC為核心的系統(tǒng)控制方案

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

西門子S7-300為中型模塊化PLC，適用于自動化工程中對于控制性能要求較高的場合，它主要由機架、電源模塊（PS）、中央處理器模塊（CPU）、信號模塊（SM）、功能模塊（FM）組成。本系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

其中，高速計數(shù)FM350模塊對伺服電機反饋的脈沖信號計數(shù)，計數(shù)值通過換算成距離值來判斷伺服電機行走的位置；數(shù)字量輸入模塊接收位置傳感器的信號；數(shù)字量輸出模塊的信號作用于電磁閥和伺服驅(qū)動器，電磁閥控制氣缸執(zhí)行動作，在該平臺上表現(xiàn)為各個定位銷和機械手的升降動作，伺服驅(qū)動器控制伺服電機的運行，伺服驅(qū)動器選用松下MINAS A5系列驅(qū)動器。由圖可以看出，伺服系統(tǒng)通過編碼器的反饋組成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2 伺服控制方法

在伺服電機運用中，一般有三種控制方式：轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制。對橫向機械手運動至定位銷2處“?！边@一要求，最初計劃采用轉(zhuǎn)矩控制的方式，即在伺服驅(qū)動器上設(shè)置電機軸對外輸出轉(zhuǎn)矩大小的限制，當橫向機械手夾帶紙垛后退運行被定位銷2阻擋時，外部負載轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定值，此時電機停止。但是在現(xiàn)場實驗過程中，由于機械結(jié)構(gòu)的限制，當轉(zhuǎn)矩設(shè)置稍小時，由于傳動履帶自身阻力以及轉(zhuǎn)矩控制精度存在一定波動等因素，使得機械手出現(xiàn)反復走走停停的情況；當轉(zhuǎn)矩設(shè)置稍大時，到位瞬間未能達到設(shè)定轉(zhuǎn)矩的大小，電機到位時停不下來。

另外，橫向機械手運行過程要求高速和低速兩種速度狀態(tài)，伺服開始運行時是高速狀態(tài)，在距目標指定位置處自動改為低速狀態(tài)，這種設(shè)計對速度自身的實時控制和隨動性要求較高。針對這一情況，本文采取一種使用速度控制方式并能達到位置控制效果的新方法。

首先，在機械部分安裝完成的基礎(chǔ)上，對電機的停車性能進行測試。定義高速狀態(tài)下電機收到停止信號后仍然慣性行走的距離為“漸進距離”，定義低速狀態(tài)下電機接收到停止信號后慣性行走的距離為“死區(qū)距離”，分別進行了20組和25組測試，測試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 漸進距離的測試結(jié)果

圖4 死區(qū)距離的測試結(jié)果

數(shù)據(jù)的處理：從圖3～圖4可以看出，數(shù)據(jù)在某一值附近波動，首先，使用肖維勒準則剔除個別異常數(shù)據(jù)，剩余的數(shù)據(jù)取樣本均值。

動作流程中要求橫向機械手運行至高速預停2位停止，等待定位銷2上升到位以后再低速運行至紙垛緊靠定位銷2，針對這種控制要求，伺服程序的設(shè)計要充分考慮上述兩種距離的運用，具體方法是：高速運行時，目標脈沖減去漸進距離后的值為實際高速狀態(tài)運行的距離，高速運行結(jié)束后立刻轉(zhuǎn)為低速運行；低速運行時，目標脈沖減去死區(qū)距離的值為實際低速狀態(tài)運行的距離，計數(shù)器讀取到這一距離脈沖后，給電機停止信號。

運用這一方法，經(jīng)過大量的現(xiàn)場實驗證明，能夠達到0.1mm精度級誤差的定位結(jié)果。完全滿足產(chǎn)品的性能要求。

如果采用位置控制模塊FM351等定位模塊，需要額外加上該模塊，而且不減少計數(shù)器模塊，成本上比計數(shù)模塊高兩倍多。而且采取這種定位辦法，速度大小設(shè)置靈活，可自由調(diào)整節(jié)拍時間，而且更經(jīng)濟，編程更簡單，PLC效率明顯更高一些。

2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計，在STEP7軟件中，用戶編寫的程序均放在塊中，塊是一種獨立的程序或者數(shù)據(jù)單元，對各種塊的使用，類似于調(diào)用子函數(shù)，只需要設(shè)置好接口參數(shù)，這樣，極大的簡化了程序組織，程序的可讀性更好。

1）I/O點數(shù)分配

根據(jù)動作流程的要求以及傳感器設(shè)置的具體情況，I/O分配如表5所示，系統(tǒng)中信號類型均為數(shù)字量。

圖5 I/O分配表

2）控制系統(tǒng)程序設(shè)計

控制系統(tǒng)方式分為自動運行和手動運行。其中，運行方式的切換在觸摸屏上完成，可以用手動方式逐步的完成各個單獨動作；自動運行方式采用順序控制方法，能對各種邏輯關(guān)系、順序進行精確控制。控制系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

各模塊化編程組織如圖7所示，有初始化程序OB100、自動運行FB、伺服調(diào)用FB、數(shù)據(jù)處理FC以及各種數(shù)據(jù)塊，主程序OB1完成模式的切換和各個程序的調(diào)用。

圖7 模塊化編程程序截圖

3 結(jié)束語

本文介紹了基于S7-300PLC的自動過數(shù)流水線平臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，該設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，其中，硬件設(shè)計包括了控制系統(tǒng)硬件組成、各模塊的使用；軟件設(shè)計方面著重分析了伺服定位的方法并加以實現(xiàn)，用梯形圖語言和S7-Graph語言設(shè)計出完整的程序，并對它進行了調(diào)試。目前，該設(shè)備已經(jīng)調(diào)試完畢，通過一段時間的運行，證明了設(shè)備有著極高的穩(wěn)定可靠性，極大的降低了現(xiàn)場工人的勞動強度，伺服定位完全符合設(shè)計要求?？傊?，該系統(tǒng)設(shè)計合理、操作方便，各方面均達到預期效果。

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