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)
2015-2-23 來源：常熟理工學(xué)院電氣與自動化學(xué)院 作者：劉燕，周航
摘 要：根據(jù)自動化生產(chǎn)線中工件加工的要求，設(shè)計(jì)了一種組合機(jī)床生產(chǎn)線自動加工及上下料控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以西門子S7-200PLC控制器為核心，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)、高分辨率伺服電機(jī)以及位置傳感器等元件的檢測定位，實(shí)現(xiàn)了工件的上料、裝卸、下料和加工等工序的自動連續(xù)生產(chǎn)。該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行，能滿足生產(chǎn)線高效率、高質(zhì)量的自動化加工需要。
0 、引言
自動化生產(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測量、自動控制和連續(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進(jìn)行，生產(chǎn)線具有較高的自動化程度。本文將探究自動化生產(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)床加工自動化生產(chǎn)線包含5個部分，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。自動加工及上下料控制系統(tǒng)工作流程為：當(dāng)自動給料架上放入工件后，給料架自動將工件輸送到機(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到機(jī)床卡盤上，工件到位后，三相電機(jī)啟動對工件進(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，放入到回料倉中，至此一個工件的循環(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的動作后機(jī)械手尋零復(fù)位，系統(tǒng)停止運(yùn)行，報(bào)警燈亮。各部分的檢測與驅(qū)動部分如圖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，控制機(jī)械手在水平方向上的移動。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，控制機(jī)械手在垂直方向上的移動。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通過皮帶帶動上料架轉(zhuǎn)動。位置傳感器PX1檢測料倉位置，位置傳感器PH1檢測物料位置。
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)床卡盤動作；電磁閥YV2、YV3K控制旋轉(zhuǎn)氣缸動作；三相異步電機(jī)M2完成機(jī)床加工動作。
5）位置傳感器PH2檢測物料回倉。
2 、組合機(jī)床生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)由檢測傳感元件、控制元件和執(zhí)行元件等部分組成。檢測傳感元件多為位置傳感器，用來檢測運(yùn)行過程中工件的具體位置，并將檢測到的信號傳送給系統(tǒng)控制器；系統(tǒng)控制器采用PLC控制，對接收到的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，并將處理完成的信號輸出至執(zhí)行元件。執(zhí)行元件接收到控制信號后完成加工控制的具體動作。本系統(tǒng)中用到的控制元件還包含步進(jìn)驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器、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)動器接收PLC控制器輸出的脈沖及方向信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，并帶動機(jī)械手水平移動。伺服電機(jī)驅(qū)動器接收PLC控制器輸出的脈沖及方向信號，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動機(jī)械手豎軸移動。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)而帶動上料架轉(zhuǎn)動。電磁閥的由PLC I/O口控制，以控制氣缸的動作（夾緊與松開）。位置傳感器用于檢測機(jī)械手在橫軸或豎軸的移動位置以及工件在控制過程中所處的位置，檢測到信號后，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)動系統(tǒng)的控制
自動化生產(chǎn)線橫軸移動及位置檢測精度要求比較高，用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳動定位控制。圖3為伺服驅(qū)動器接線圖。選用合信伺服驅(qū)動器E10匹配伺服電機(jī)CTSD M16-B2012-M100。伺服驅(qū)動器E10的DI數(shù)字輸入信號有伺服使能、解除報(bào)警、順/逆時針行程限位、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、零速檢測輸出等。在位置控制模式時調(diào)整電子齒輪比可以設(shè)置單位指令脈沖對應(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：
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)動器與伺服電機(jī)進(jìn)行連接。伺服電機(jī)接收來自驅(qū)動器的電壓信號并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩量和轉(zhuǎn)速值驅(qū)動控制對象。旋轉(zhuǎn)編碼器檢測出伺服電機(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)動的角位移，從而控制機(jī)械手在橫軸方向上的水平移動距離，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)動系統(tǒng)的控制
自動化生產(chǎn)線的豎軸移動及位置檢測采用步進(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-四個驅(qū)動信號分別通過信號線由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制。控制步進(jìn)驅(qū)動器的脈沖數(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)動器采用雙極型恒流驅(qū)動方式，當(dāng)驅(qū)動電流小于3.5A時，它可以驅(qū)動任何兩相雙極型步進(jìn)電機(jī)。通過調(diào)整DIP開關(guān)，改變對電機(jī)驅(qū)動輸出的相電流，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)動方式下步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收200×8=1600個脈沖信號步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈。
3 、軟件程序設(shè)計(jì)
按照自動加工工藝要求設(shè)計(jì)其軟件程序，控制流程如圖5所示。
圖5 生產(chǎn)線軟件控制流程圖
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)動控制。本次設(shè)計(jì)中采用S7-200本體PTO提供的應(yīng)用庫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MAP如圖6所示，其中各個塊的功能如表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)動控制功能。選擇MAP應(yīng)用庫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)用庫中的對應(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庫中有參數(shù)定義、尋找參考點(diǎn)位置、停止運(yùn)動、將距離值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)等對應(yīng)的功能塊，所以在程序的編寫時只需直接調(diào)用所需的塊，修改對應(yīng)的參數(shù)即可。這樣為編程人員節(jié)省了大量的時間，并且當(dāng)在調(diào)試的過程中遇到問題時，只需修改對應(yīng)功能塊參數(shù)即可。
圖6 MAP SERV應(yīng)用庫
4 、結(jié)束語
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)了一種針對生產(chǎn)線自動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)，大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。
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