自动生产线在现代工业生产中应用十分广泛, 为把物料从一条生产线搬运到另一条生产线, 常常采用工业机械手, 以提高生产效率。机械手是一种能自动定位并可重新编程序以变动的多功能机器, 它有多个自由度, 可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手装置整体安装在直线运动传动组件上, 在传动组件的带动下整体作直线运动, 定位到其他工作单元的物料台, 完成抓取和放下工件的功能。驱动抓取机械手装置沿直线导轨作往复运动的动力源, 采用伺服电机控制, 通过伺服电机, 将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移, 进而达到控制机械手运动的目的。
抓取机械手装置由气动手爪, 动作控制气缸, 直线运动传动组件以及伺服电机组成。其中直线运动传动组件由直线导轨底板、伺服电机及伺服电机驱动器、直线导轨、同步轮带和极限开关组成。伺服电机由伺服电机驱动器驱动, 通过同步轮和同步带带动滑动板沿直线导轨作往复直线运动, 从而带动固定在滑动板上的机械手装置作往复直线运动。图1是抓取机械手的外形图。
机械手的工作过程分为八个动作, 即为:
(1) 从原点开始, 机械手装置从供料台抓取工件, 抓取的顺序是:手臂伸出→手爪夹紧抓取工件→提升台上升→手臂缩回。 (2) 抓取动作完成后, 伺服电机驱动机械手装置向加工站移动, 移动速度不小于300mm/s。 (3) 机械手装置移动到加工站物料台的正前方后, 把工件放在加工站物料台上。放下工件的顺序是:手臂伸出→提升台下降→手爪松开放下工件→手臂缩回。 (4) 放下工件动作完成后, 执行返回原点操作, 伺服电机驱动机械手装置以400mm/s的速度返回原点。
伺服电机内部的转子是永磁铁, 驱动器控制的U/V/W三厢电形成电磁场, 转子在此磁场的作用下转动, 同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器, 驱动器将反馈值与目标值进行比较, 调整转子转动的角度。伺服电机驱动器主要由伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机以及相应的反馈检测器件组成, 其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。伺服电机用作定位控制时, 位置指令输入到位置控制器, 将速度控制器输入端前面的电子开关切换到位置控制器输出端, 电流控制器输入端前面的电子开关切换到速度控制器输出端。位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统, 两个内环分别是电流环和速度环。这样的系统结构提高了系统的快速性、稳定性和抗干扰能力。在足够高的开环增益下, 系统的稳态误差接近零。
位置控制模式下, 等效的单闭环系统方框图如图2所示。
图2中, 指令脉冲信号和电机编码器反馈脉冲信号进入驱动器后, 均通过电子齿轮变换才能进行偏差计算。电子齿轮实际是一个分-倍频器, 合理搭配分-倍频值, 可灵活地设置指令脉冲的行程。
在机械手位置控制系统中, 使用松下MIN AS A4系列A C伺服电机及驱动器, 电机编码器反馈脉冲为2500pulse/rev, 通过对与机械手装置相连的PLC的输出Y000进行编程, 实现PLC每输出6000个脉冲, 伺服电机旋转一周, 驱动机械手恰好移动60mm的距离。Y000的输出脉冲作为伺服驱动器的位置指令, 脉冲的数量决定伺服电机的旋转位移, 即机械手的直线位移, 脉冲的频率决定了伺服电机的旋转速度, 即机械手的运动速度。
系统采用气动控制回路, 机械手装置, 直线运动传动组件, 可编程控制器PLC (三菱FX1N) 与松下MINAS A4系列AC伺服电机及驱动器等元件组合而成, 具有功能强, 扩展性好, 改造工作量小等优点。
抓取机械手所需的I/O点较多, 输入信号包括来自按钮/指示灯模块的按钮、开关等主令信号, 各个构件的传感器信号等, 输出信号包括输出到抓取机械手装置各电磁阀的控制信号和输出到是伺服点击驱动器的脉冲信号和方向信号。由于需要输出驱动伺服点击的告诉脉冲, PLC采用晶体管输出型。基于上述考虑, 选用三菱FX1N-48MT型PLC, 共24点输入, 24点晶体管输出。
完成系统接线后, 须对伺服电机驱动器进行参数设置, 以下是伺服电机驱动器的参数设置表。 (如表1)
整个主程序包括上电后复位、传送功能、紧急停止处理和状态指示等部分, 各个部分功能如以下几点。
(1) 初态检查复位子程序。
系统上电且按下复位按钮后, 调用初态检查复位子程序, 进入初始状态检查和复位操作阶段, 目标是确定系统是否准备就绪。若未准备就绪, 则系统不能启动进入运行状态。该子程序完成的功能:检查各个启动执行元件是否处于初始位置, 抓取机械手装置是否在原点位置, 如果不是则进行相应的复位操作。
(2) 急停处理子程序。
当系统进入运行状态后, 在每一扫描周期都调用急停处理子程序。急停动作时, 主控位M20置1, 主控程序停止执行。
(3) 机械手传送功能子程序。
机械手传送功能子程序是一个单序列的步进顺序控制, 在运行状态下, 调用该子程序。在机械手执行放下工件的工作步中, 调用“放下工件”子程序, 在执行抓取工件的工作步中, 调用“抓取工件”子程序。当抓取或放下工件完成时, “放料完成”标志M5或“抓取完成”标志M4作为顺序控制程序中步进转移的条件。采用子程序调用的方法来实现抓取和放下工件的动作控制使程序编写得以简化。 (如图3)
在指令方面。使用PLSY脉冲输出指令输出脉冲, 用MOV指令设定脉冲个数。使用原点 (上接115页) 回归指令ZRN, 相对位置控制指令DRVI, 绝对位置控制指令DRVA来实现机械手返回原点和定位控制。
通过三菱公司F X 1 N系列P L C与松下MINAS A4系列AC伺服电机相结合, 完成了自动生产线中抓取机械手的设计, 实现了对机械手运动的精确定位, 保证了系统中机械手安全可靠的运行, 提高了生产线的工作效率。
摘要：本文介绍了一种基于PLC与伺服电机控制的机械手设计方案, 详细阐述了机械手的软硬件设计, 着重分析了伺服电机在机械手位置控制中的应用。
关键词：伺服电机,机械手,位置控制
[1] 范永胜, 王岷.电气控制与PLC应用[M].中国电力出版社, 2005.
[2] 李国萍.基于PLC与变频器的工厂自动生产线升降机研究[J].科学论坛, 2010 (5) .
[3] 王丽, 陶维青.基于PLC控制的生产线搬运系统[J].信息技术, 2010 (9) .
[4] 殷纵庆, 李洪祥.可编程控制器原理与实践 (三菱FX2N系列) [J], 2010 (3) .
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