1 自動取、封蓋機(jī)械手結(jié)構(gòu)
本文對實(shí)現(xiàn)圓柱型桶的桶蓋取蓋或封蓋的機(jī)械手控制技術(shù)進(jìn)行研究。桶的高度約1.5M,用來裝放射性廢料或有毒化學(xué)品,蓋與桶靠10個螺栓進(jìn)行固定連接。對此類桶操作的自動取、封蓋機(jī)械手(見圖1)具有5個自由度:水平移動、升降運(yùn)動、進(jìn)行精確定位的X-Y平臺的X方向移動和Y方向移動以及該平臺末端的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)械手的末端帶有10套擰緊機(jī)及桶蓋的抓緊裝置。水平及升降機(jī)構(gòu)通過水平運(yùn)動及升降運(yùn)動使X-Y平臺移動到預(yù)定位置,再通過X-Y平臺的X方向和Y方向的微小移動以及末端的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使擰緊機(jī)的套筒軸線對準(zhǔn)螺栓中軸,然后下降至作業(yè)位置進(jìn)行桶蓋的夾緊及螺栓的擰緊或擰松操作。
1-水平移動伺服電機(jī);2-升降運(yùn)動伺服電機(jī);3-可以進(jìn)行X,Y方向移動的X-Y平臺;4-旋轉(zhuǎn)末端;5-用螺栓連接的桶及桶蓋;6-輸送輥道
圖1 自動取、封蓋機(jī)械手結(jié)構(gòu)
機(jī)械手控制系統(tǒng)應(yīng)具有自動取、封蓋和手動操作,及對自動取、封蓋過程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、記錄等功能,同時具有可靠性高、易操作、易維護(hù)、易升級改造等特點(diǎn)。由于系統(tǒng)要求操作柜與機(jī)械手本體隔離,機(jī)械手控制涉及到5個自由度的伺服運(yùn)動控制和10個擰緊軸程序控制,且控制單元選自多個廠家,控制信號數(shù)量和種類繁多,因此搭建基于PLC的控制系統(tǒng)是關(guān)鍵技術(shù)。2 控制系統(tǒng)硬件平臺
圖2為控制系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)采用雙PLC控制,PLC1裝在操作柜內(nèi),PLC2裝在電氣柜內(nèi)。PLC1采用三菱Q系列模塊式PLC,配置5槽基板、電源模塊、Q02H高性能CPU模塊、32點(diǎn)數(shù)字輸入模塊、16點(diǎn)數(shù)字輸出模塊、通訊模塊(RS232、485各1通道)和CC_Link模塊各1塊,各模塊插在基板插槽內(nèi),模塊間通過基板內(nèi)部總線連接。數(shù)字輸入模塊連接操作臺面各按鈕、旋鈕開關(guān),數(shù)字輸出模塊連接操作臺指示燈、喇叭等。通訊模塊上的RS232通道與上位機(jī)通訊,RS485通道與10臺擰緊機(jī)通過ModbUS協(xié)議通訊可大大減少設(shè)備之間連線。其中,PLC1通訊模塊為主站,10臺擰緊機(jī)各為1個從站。PLC2采用三菱Q系列模塊式PLC,配置8槽基板、電源模塊、Q02H高性能CPU模塊、32點(diǎn)數(shù)字輸入模塊、CC_Link模塊、4軸定位模塊、2軸定位模塊各1塊、16點(diǎn)數(shù)字輸出模塊2塊,負(fù)責(zé)自動取封蓋運(yùn)動控制、過程控制和邏輯控制。數(shù)字輸入模塊連接各伺服放大器、變頻器狀態(tài)輸出點(diǎn)和限位開關(guān)等,數(shù)字輸出模塊連接各伺服放大器、變頻器控制輸入接點(diǎn)。
圖2 控制系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)框圖
4軸定位模塊控制X-Y旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動器,為了與選購的驅(qū)動器相匹配,采用差動脈沖輸出定位模塊。2軸定位模塊以SSCNET高速通訊方式控制提升、平移伺服電機(jī)驅(qū)動器,便于對運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,同時可減少系統(tǒng)連線。兩個PLC間通過CC_Link通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,其中,PLC1中的CC_Link模塊為主站,PLC2中的CC_Link模塊為本地站。
采用三菱自帶增量式編碼器伺服電機(jī)HC-SFS152,并配備三菱MR-J2S-200B型三相220V供電的伺服放大器。
3 機(jī)械手運(yùn)動軌跡及數(shù)據(jù)通訊
3.1 運(yùn)動軌跡
機(jī)械手主要進(jìn)行平面內(nèi)的運(yùn)動作業(yè),如圖3所示。對于每個循環(huán)操作,機(jī)械手末端都要經(jīng)過左移、下降、X方向微動、Y方向微動、旋轉(zhuǎn)、取蓋或者封蓋、上升、右移的運(yùn)動過程。因此,機(jī)械手的運(yùn)動為連續(xù)軌跡運(yùn)動,需要在工作空間內(nèi)做插補(bǔ)計算,并保證運(yùn)動達(dá)到一定的軌跡精度。要求水平運(yùn)動和上下運(yùn)動的過程為靜止、加速、減速、靜止,即要求平臺在軌跡起點(diǎn)和終點(diǎn)的加速度和速度為零,以此來減小過程沖擊和殘余振動。
圖3 機(jī)械手軌跡圖
3.2 數(shù)據(jù)通訊
在所設(shè)計的控制系統(tǒng)中,軌跡規(guī)劃計算在CPU單元進(jìn)行,計算結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線提供給運(yùn)動控制模塊,位置控制模塊在插補(bǔ)點(diǎn)間采用PVT插補(bǔ)控制2個伺服電機(jī)聯(lián)動。CPU與位控模塊間的運(yùn)動數(shù)據(jù)通訊可采用以下3種方式:
、僦瘘c(diǎn)傳遞,CPU單元每完成一插補(bǔ)點(diǎn)計算,即將數(shù)據(jù)傳遞給位控模塊,與此同時,位控模塊控制機(jī)械手完成前兩個插補(bǔ)點(diǎn)間的運(yùn)動,即軌跡規(guī)劃與運(yùn)動控制同時進(jìn)行,該方式適用于位置不斷變化的場合;
、谂總鬟f,CPU單元預(yù)先連續(xù)對機(jī)械手整條運(yùn)動路徑的各插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行計算,并一次性將數(shù)據(jù)傳遞給位控模塊,同時,位控模塊控制機(jī)械手進(jìn)行前一條軌跡運(yùn)動,批量數(shù)據(jù)的傳遞可以在作業(yè)間隙進(jìn)行,對運(yùn)動控制周期影響小,但需要預(yù)知機(jī)械手的運(yùn)動軌跡;
、鄄楸矸,將機(jī)械手可能的運(yùn)動軌跡的所有插補(bǔ)點(diǎn)運(yùn)動信息預(yù)先計算并傳遞給位控模塊中儲存,運(yùn)動過程中根據(jù)位置信息查表取得各插補(bǔ)點(diǎn)關(guān)節(jié)變量,該方式在運(yùn)動過程中單元間數(shù)據(jù)傳遞量小、響應(yīng)快,尤其適用于軌跡數(shù)量有限的場合。
基于上述分析,本系統(tǒng)中運(yùn)動軌跡數(shù)量有限,兩軸定位模塊主要針對水平移動和上下移動兩個方向,機(jī)械手從水平到固定位置并上升或者下降到一定高度,位置固定,因此采用查表法。位控模塊根據(jù)編號查表取得各插補(bǔ)點(diǎn)關(guān)節(jié)位置和速度信息控制機(jī)械手運(yùn)動。對于外購的XY平臺,由于每次的位移量不一致,并且需要精確計算,利用四軸運(yùn)動控制模塊的逐點(diǎn)傳遞法進(jìn)行控制。
4 軟件設(shè)計
4.1 PLC程序設(shè)計
系統(tǒng)主要由初始化功能、自動操作功能、手動操作功能、數(shù)據(jù)通訊功能、軌跡規(guī)劃功能等程序模塊構(gòu)成。PLC CPU采用循環(huán)掃描機(jī)制工作,在每個掃描周期都要完成自檢、I/O更新、數(shù)據(jù)通訊等操作。為了保證系統(tǒng)對機(jī)械手的實(shí)時監(jiān)控,需要合理設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)、減小掃描周期。本程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計準(zhǔn)則,將具有獨(dú)立功能的程序段編制成一個模塊,采用分層嵌套形式。這樣在一個掃描周期根據(jù)功能需要調(diào)用相應(yīng)功能模塊,就可以大大減小掃描周期,提高程序執(zhí)行速度,便于理解和調(diào)試。
4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件
上位機(jī)監(jiān)控軟件是采用NI公司的Labview進(jìn)行開發(fā)的人機(jī)界面,通過與PLC通訊模塊的通訊來完成過程數(shù)據(jù)的監(jiān)控、記錄查詢、報警信息查詢、參數(shù)設(shè)置。上位機(jī)程序同樣采用模塊化編程,軟件包括3大部分:初始化模塊、過程模塊和通訊模塊。過程模塊中又包含動畫模塊、擰緊過程監(jiān)視曲線模塊等等。對擰緊過程采用扭矩-角度及扭矩-時間曲線圖進(jìn)行監(jiān)視,在規(guī)定的旋轉(zhuǎn)角度和時間內(nèi)扭矩值在設(shè)定的范圍內(nèi)即認(rèn)定擰緊過程合格。軟件的人機(jī)界面按功能分成多個界面,由實(shí)體化的圖標(biāo)與按鈕來組態(tài),使工人更容易理解與操作。
圖4為控制系統(tǒng)主界面。其包括動畫顯示區(qū)、擰緊機(jī)控制區(qū)、五軸伺服操作區(qū)、各限位開關(guān)指示燈及其他界面的按鈕。動畫顯示區(qū)實(shí)時顯示機(jī)械手的位置及作業(yè)情況,有利于操作人員直觀地了解機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)。擰緊機(jī)控制區(qū)域顯示擰緊機(jī)的運(yùn)行狀況,可以對單軸進(jìn)行電動操作。對于伺服電機(jī)可通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕的方式進(jìn)行伺服電機(jī)的尋零操作、速度設(shè)置等。
圖4 控制系統(tǒng)主界面
另外,通過其他指引按鈕可以顯示其他界面,可以進(jìn)行擰緊軸的參數(shù)設(shè)置、查看擰緊完成后的擰緊力矩-角度曲線、過程記錄查詢、報警記錄查詢和過程參數(shù)設(shè)置等。
5 結(jié)語
本文以“PLC+定位控制模塊”為核心附以上位機(jī)監(jiān)控軟件搭建了自動取封蓋機(jī)械手控制硬件平臺,研究了軌跡規(guī)劃、參數(shù)傳遞、軟件編程等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的運(yùn)動控制。該系統(tǒng)可靠性高、組態(tài)過程簡單,信息處理速度快,能夠滿足實(shí)時控制的要求,且不僅可以實(shí)時監(jiān)測,還可使得機(jī)械手的操作變得直觀容易。
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