基于PLC的伺服工作轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁遠(yuǎn)標(biāo)，謝寶寧，陳文彬，林國(guó)正

（廣州澤亨實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 511453）

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，純?nèi)斯げ僮饕呀?jīng)不能滿足當(dāng)前的市場(chǎng)需求，工業(yè)半自動(dòng)化和全自動(dòng)化已成為當(dāng)今發(fā)展趨勢(shì)，因此工業(yè)控制的重要性越發(fā)重要。目前對(duì)于工作轉(zhuǎn)臺(tái)的控制方式有很多，學(xué)者張志敏等提出基于LabVIEW及PLC電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［1］，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)動(dòng)控制，但LabVIEW設(shè)備昂貴，若采用普通電腦又達(dá)不到工業(yè)控制的環(huán)境要求；學(xué)者周國(guó)芳、曾文武提出采用液壓系統(tǒng)的控制方式和高速開關(guān)閥門的控制形式［2-3］，改變液壓路徑，達(dá)到控制轉(zhuǎn)臺(tái)的效果，但成本較高且工作環(huán)境惡劣；學(xué)者劉蘅嶸等則提出采用ARM單片機(jī)的控制方式［4］，通過增量式編碼器來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但是沒有提出脈沖控制的形式、抗干擾能力較低；學(xué)者曾文武提出采用西門子S7-400的控制方式［5］，但是并沒有提出脈沖控制的具體方法與實(shí)現(xiàn)形式，此外，S7-400成本較高。本文提出采用較為便捷的PLC控制方式，較低成本的西門子S7-200與光耦模塊的配合，達(dá)到精確控制伺服電機(jī)的位置改變，實(shí)現(xiàn)低成本的精確旋轉(zhuǎn)平臺(tái)功能。PLC帶有隔離的輸入與輸出，可以抵抗工控現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，保證所控制平臺(tái)能準(zhǔn)確到位。

1 伺服工作轉(zhuǎn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

伺服工作轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)、機(jī)械行業(yè)，甚至農(nóng)業(yè)中都有應(yīng)用。是一種主要作用于分隔兩個(gè)工位的空間位置，達(dá)到加工目的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。圖1為讓噴涂工人遠(yuǎn)離噴涂位置而設(shè)計(jì)的伺服工作轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖，圖中a為機(jī)座，起到支撐整個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)作用；b為中軸伺服電機(jī)a+減速機(jī)組合體，起到旋轉(zhuǎn)旋臂切換工位的作用；c為旋臂，起到連接兩個(gè)不同工位固定在同一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的作用；d為工位一，此工位為伺服電機(jī)b+減速機(jī)組合體，工人在此位置更換需加工工件以及卸下加工完成的工件；e為工位二，此工位為伺服電機(jī)c+減速機(jī)組合體，工件在此位置進(jìn)行噴涂加工。當(dāng)完成兩個(gè)工位的工作都完成后，旋臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180 °，工位一和工位二位置交換，此時(shí)工位一為噴涂加工工位，工位二為裝卸工位；當(dāng)兩個(gè)工位的工作再次完成后，旋臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180 °，工位一和工位二再次位置交換，此時(shí)工位二為噴涂加工工位，工位一為裝卸工位。如此循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行噴涂加工。

為了實(shí)現(xiàn)圖1的控制功能，設(shè)計(jì)其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其上位機(jī)采用Pro-face工控觸摸屏，通過觸摸按鈕對(duì)伺服工作轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)送控制位置指令。其邏輯控制單元采用西門子S7-200 224xp的PLC，通過兩路PTO實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)伺服電機(jī)的脈沖發(fā)送控制。伺服電機(jī)采用兩個(gè)安川伺服電機(jī)和中軸宇海伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器為伺服電機(jī)自帶的驅(qū)動(dòng)器，通過光耦模塊反饋編碼器位置信息給PLC。采用24 V的輔助電源來分別對(duì)觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器以及光耦模塊供電。伺服電機(jī)常見的控制方式有3種，分別是位置控制、速度控制以及轉(zhuǎn)矩控制［6］。位置控制是采用脈沖信號(hào)來對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，而速度控制和轉(zhuǎn)矩控制則是通過上位機(jī)提供的模擬量去控制伺服電機(jī)［7］。本轉(zhuǎn)臺(tái)使用位置控制形式，對(duì)三個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制。

圖1 伺服工作轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖

圖2 伺服工作轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)構(gòu)框圖

2 光耦模塊電路

為了更加精確的檢測(cè)伺服電機(jī)的當(dāng)前位置信息，需要得到伺服電機(jī)的位置反饋信號(hào)，但是由于安川伺服電機(jī)的位置反饋信號(hào)為5 V的信號(hào)，無法被接收24 V信號(hào)的PLC所識(shí)別，需要采用信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊來進(jìn)行反饋。光電耦合是實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式之一，因此設(shè)計(jì)出基于光耦的模塊電路。

光耦模塊電路主要采用PC817光耦芯片組成，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)采用三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了更好的采集到每個(gè)伺服電機(jī)的位置信息，采用AB相兩路正交計(jì)數(shù)方式。其中在輸入端中PAO1表示伺服電機(jī)a的A相反饋信號(hào)，PBO1表示伺服電機(jī)a的B相反饋信號(hào)；PAO2表示伺服電機(jī)b的A相反饋信號(hào)，PBO2表示伺服電機(jī)b的B相反饋信號(hào)；PAO3表示伺服電機(jī)c的A相反饋信號(hào)，PBO3表示伺服電機(jī)c的B相反饋信號(hào)。在輸出端中，通過上拉電阻把24 V輸入到PLC的I0.0、I0.1、I0.3、I0.4、I0.6、I0.7中。

圖3 光耦模塊電路

3 運(yùn)動(dòng)控制包絡(luò)

運(yùn)動(dòng)控制包絡(luò)是運(yùn)動(dòng)控制非常重要的組成部分，規(guī)定了伺服電機(jī)位置控制的加減速、運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間等重要參數(shù)。在工控領(lǐng)域中，很少采用伺服電機(jī)直接連接最終執(zhí)行部件，除非對(duì)力矩的要求不高。然而，大多數(shù)情況下都對(duì)力矩有需求，因此采用伺服電機(jī)+減速機(jī)的組合來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制。

3.1 位置脈沖值

位置脈沖值是指使得伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置時(shí)所需要的脈沖值，脈沖值的計(jì)算方式對(duì)于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中軸、工位一和工位二的伺服電機(jī)都是相同的。由于本次采用的伺服電機(jī)編碼器為24位編碼器，故在不接任何外設(shè)的情況下，旋轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)PULSE 如式（1）［8-9］所示：

然而，不接任何外設(shè)時(shí)所需要的脈沖量太大，PLC的PTO發(fā)送端口最高只支持2 KHz的脈沖頻率［10］，為了避免丟步和控制方便，多采用外加減速機(jī)構(gòu)的方式，并且設(shè)置伺服電機(jī)的電子齒輪比來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制。則，伺服電機(jī)的電子齒輪比Q 如式（2）［9，11］所示：

式中：Q為電子齒輪比值；B為編碼器分辨率；A為負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)一圈的移動(dòng)量（指令單位）；m為從動(dòng)輪速度；n為主動(dòng)輪速度。得出的比值分別填入伺服驅(qū)動(dòng)器中的Pn20E和Pn210中。

則最終旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖量PULSE如式（3）所示：

3.2 設(shè)置運(yùn)動(dòng)控制包絡(luò)

圖4為運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖，描述了運(yùn)動(dòng)從開始到結(jié)束的各個(gè)狀態(tài)，是以脈沖為橫軸速度為縱軸的曲線圖，通過該圖可以知道伺服電機(jī)的運(yùn)行過程以及其脈沖總量。由上述可得到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖量PULSE'，則以此為基準(zhǔn)就可以分成90 °、180 °等各個(gè)不同角度之間的旋轉(zhuǎn)脈沖量。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制包絡(luò)圖

其中，P1段為伺服電機(jī)加速段，其長(zhǎng)度決定了伺服電機(jī)的加速時(shí)間，P1越長(zhǎng)則加速時(shí)間越長(zhǎng)，反之則越短；P3為伺服電機(jī)的減速段，其長(zhǎng)度決定了伺服電機(jī)的減速快慢，P3越長(zhǎng)則減速時(shí)間越長(zhǎng)，反之則越短；P2為在最高速時(shí)的運(yùn)行距離，P2越長(zhǎng)則高速運(yùn)行距離越長(zhǎng)，反之則越短。伺服電機(jī)的最終運(yùn)行位置Position如式（4）［10］所示：

Position為脈沖總量，即實(shí)現(xiàn)各個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的脈沖總量。

4 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC的控制流程框圖如圖5所示，圖中a軸表示中軸伺服電機(jī)，b軸表示工位一伺服電機(jī)，c軸表示工位二伺服電機(jī)。在開始階段，對(duì)PLC各個(gè)輸出Q、中間繼電器M、變量存儲(chǔ)器V、計(jì)數(shù)器C以及定時(shí)器T的復(fù)位，等待中軸指令的輸入。當(dāng)有中軸輸入的時(shí)候則N+1，通過N的計(jì)數(shù)可指定當(dāng)N=1時(shí)讓工位一旋轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)安裝在工位一上的工件進(jìn)行噴涂加工；與此同時(shí)工位二不轉(zhuǎn)，以便工人卸載和安裝工件，同理當(dāng)N=2的時(shí)候則讓工位二旋轉(zhuǎn)，工位一不轉(zhuǎn)。當(dāng)有停止按鈕按下時(shí)，則整個(gè)程序結(jié)束。

圖5 PLC程序控制流程圖

5 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的應(yīng)用效果，在平臺(tái)的噴涂工位上方安裝一臺(tái)帶靜電粉末噴槍的工業(yè)機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行噴涂，裝卸工位進(jìn)行安裝和卸載噴涂完成的工件，搭建的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

5.1 平臺(tái)搭建

根據(jù)裝配圖紙安裝好旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，工業(yè)機(jī)器人穿好防塵服，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)兩個(gè)工位都安裝好工件，使用瑞士金馬自動(dòng)噴槍，采用白色粉末涂料，調(diào)整好噴槍參數(shù)和各個(gè)伺服電機(jī)脈沖值后測(cè)量器轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值。制作好Prof ace屏幕程序，并設(shè)置相應(yīng)的噴槍參數(shù)，如圖7所示。PLC的輸出部分，采用Q0.0控制兩臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90 °的伺服電機(jī)，配合中軸的位置進(jìn)行輸出信號(hào)切換，Q0.1控制中軸180 °的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)180 °的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

5.2 實(shí)驗(yàn)分析

分別對(duì)轉(zhuǎn)向90 °和轉(zhuǎn)向180 °選取了30個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，并繪制成旋轉(zhuǎn)平臺(tái)90 °旋轉(zhuǎn)和180 °旋轉(zhuǎn)位置的角度測(cè)量表，如圖8所示。由圖表可以看出測(cè)量角度總體趨勢(shì)符合轉(zhuǎn)動(dòng)要求，但存在小波動(dòng)，在90 °和180 °的±0.1 °之間浮動(dòng)，說明還存在丟步現(xiàn)象，但是也能通過反饋進(jìn)行調(diào)整，需要加大傳動(dòng)比，避免低轉(zhuǎn)速情況下的丟步現(xiàn)象，同時(shí)更換更精密的減速器來提高轉(zhuǎn)動(dòng)精度。

圖7 prof ace屏幕控制界面

圖8 旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)表

6 結(jié)語

采用PLC與伺服電機(jī)搭建的工作轉(zhuǎn)臺(tái)，集合了PLC、伺服電機(jī)、傳感器等各個(gè)部件的知識(shí)，成功采用一臺(tái)PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)伺服電機(jī)的控制。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的角度與發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)有關(guān)，控制定量的脈沖輸出，即可控制旋轉(zhuǎn)的角度。通過光耦模塊的反饋調(diào)整，最終減速機(jī)的執(zhí)行定位誤差≤0.1 °，符合噴涂加工的誤差范圍。經(jīng)過合理的安裝與調(diào)試，工作轉(zhuǎn)臺(tái)達(dá)到了預(yù)期的效果，目前已應(yīng)用于泰日升實(shí)業(yè)有限公司噴粉加工工作中，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)潛力。

此外本轉(zhuǎn)臺(tái)還存在以下不足與待改進(jìn)之處：1）轉(zhuǎn)臺(tái)的位置精度除了與脈沖數(shù)量有關(guān)，還與減速器的精度有關(guān)，高精度的減速器反轉(zhuǎn)間隙更小，則轉(zhuǎn)動(dòng)位置更精確；2）本轉(zhuǎn)臺(tái)中軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)噪聲較大，需加裝降噪裝置或者更換更精密的減速器；3）本轉(zhuǎn)臺(tái)為半自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，盡管不需人工進(jìn)行噴涂，但是仍然需要人工進(jìn)行上下料，需加裝自動(dòng)上下料裝置實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化工作。

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