基于PLC和交流伺服系统的FMS加工站输送系统

0 引言

　　南京理工大学泰州科技学院机械工程学院为提升机械工程及自动化、机械电子等专业实验实训课效果，自行 设 计 开 发 了 教 学 型 柔 性 制 造 系 统 （FMS，即Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）。该系统以工业生产型柔性制造系统为设计蓝本，主要由原料库站、移动小车站、分拣站、加工站、颜色检测站、零件库站、废品库站等分站组成，通过PLC控制与现场总线组态，实现原料出库、材料检测、分拣、加工、喷漆烘干、颜色检测、废品入库、零件入库等整个生产过程的自动控制与组态。加工站为整个系统的重要组成部分，主要包括数控机床（完成工件的加工）、后期处理箱（完成工件的喷漆烘干）、输送系统（完成工件在输送线、数控机床和后期处理箱之间的转移）等硬件设备。本文在简介教学型FMS加工站输送系统结构组成和控制要求的基础上，着重阐述加工站输送系统控制部分的设计。

1　加工站输送系统

　　图1为加工站主体结构示意图。工业机器人、交流伺服电机、工作台、导轨副、滚珠丝杠、支架是加工站输送系统的主要组成部件，控制按钮、PLC主控单元、伺服驱动器等电控器件均安装在电控柜内。

　　加工站输送系统工作流程如下：传送带有待加工工件→工业机器人前行至第一定位点→工业机器人从传送带抓取工件送入数控机床→（机床开始加工）→加工完毕→工业机器人从机床内取工件→工业机器人夹持工件前行至第二定位点→工业机器人将工件送入后期处理箱→（处理箱进行喷漆烘干）→处理完毕→工业机器人从烘箱内取工件并放至传送带上→工业机器人复位至原点。上述工作流程为输送系统单一循环的完整过程。此外，为提高生产效率，综合考虑机床、后期处理箱及传送带工况，可实现工业机器人在原点、数控机床、后期处理箱之间循环移动取放工件。

1－传送带；2－待加工工件；3－工业机器人；4－交流伺服电机；5－工作台；6－数控机床；7－后期处理箱；8－导轨副；9－滚珠丝杠螺母副；10－支架

图1加工站主体结构示意图

2 基本控制系统

　　本控制系统需完成的主要控制功能有：①工业机器人多点定位控制；②工业机器人在不同定位点实现不同抓取动作的控制。为完成 上 述 控 制 要 求，主 控 单 元 选 用 西 门 子S7－200系列ＣＰＵ226（ＤＣ／ＤＣ／ＤＣ）型PLC，驱动工作台运行的伺服电机为森创80ＣＢ－75Ｃ交流伺服电机（自带2500线编码器），配套选用森创ＭＳ－0020Ａ型全数字交流伺服驱动器，工件的抓取运送由Ｋａｗａｓａｋｉ川崎工业机器人完成。其中，森创80ＣＢ－75Ｃ型交流伺服电机的额定输出功率为750 Ｗ、电机转子惯量为1．03Ｎ·ｍ，额定转速为3　000ｒ／ｍｉｎ；森创ＭＳ－0020Ａ伺服驱动器采用ＤＳＰ全数字控制方式，6种脉冲输入方式，编码器反馈脉冲可分频输出并具有键盘及ＬＥＤ数码管显示功能。

　　2.1 多点定位控制

　　图2为多点定位示意图。按照控制要求，带动工业机器人的工作台需在原点、第一定位点Ａ、第二定位点Ｂ之间往复运行。根据运行特点和规律，本定位控制采用相对定位方式，即将下一定位点相对于当前位置的距离作为运行位移量。

1－交流伺服电机；2－联轴器；3－滚珠丝杠；4－工作台；5－轴承

图2 定位点示意图

　　西门子ＣＰＵ226两个高速脉冲输出口可分别工作在ＰＴＯ（脉冲串输出）和ＰＷＭ（脉宽调制）状态下。在ＰＴＯ方式中，PLC可生成一个50％占空比脉冲串，用于步进电机或伺服电机的速度和位置的控制。本定位控制即采用ＰＴＯ高速脉冲输出下的位置控制方式实现：设置伺服驱动器工作于位置脉冲运行模式（参数Ｆ00＝2），通过接收ＣＰＵ226Ｑ0．0（或Ｑ0．1）输出口发送的高速脉冲串和Ｑ0．2（或Ｑ0．3）发送的方向电平信号，实现工作台运行距离（由脉冲数决定）和运行方向的控制。

　　实现工作台多点定位控制的关键点包括：①点与点之间运行距离所对应的脉冲数应精确；②至下一运行点所对应的脉冲数写入状态控制字应及时；③方向控制位改变设定应及时准确。其中，第一点精确脉冲数的确定方法是：完成编码器Ａ、Ｂ相反馈脉冲接至ＣＰＵ226输入端口的硬件接线，利用ＣＰＵ226的高速计数器（如ＨＳＣ0），读取并记录状态字ＨＣ0的初始值和终止值，两值之差即为起始点与终止点距离所对应的脉冲数。另外两个关键点的控制则通过软件编程实现，可采用高速计数器在中断模式下写入（计数到则中断），也可通过软件编程设置定位点标志位，在工作台到达定位点时执行写入指令，输入新的脉冲计数值和方向控制位。

　　2.2 工业机器人搬运工件控制

　　根据整个输送系统的控制要求，工业机器人需要在定位点Ａ、Ｂ各执行两次不同的取放工件的动作，共计4次，4次动作轨迹均不相同。本设计通过工业机器人的示教模式完成4段程序的编制，并通过编程分配激活4段程序所需的Ｉ／Ｏ端口。Ｉ口位于工业机器人控制柜内的ＣＮ4连接器上，4个Ｉ口分别与PLC的4个输出端口连接，见表1。

　　在实际运行中，工业机器人转为再现运行模式。在再现运行模式下，不同的抓取动作需执行不同的程序，通过PLC向其对应的输出口发送一上升沿脉冲即可完成程序的启动。如，需要工业机器人完成“将工件放至 后 期 处 理 箱 内”动 作，则 在PLC程 序 中 短 时（0．3ｓ～0．5ｓ）置位Ｑ1．3为1即可（若置位时间过长，工业机器人将反复执行当前程序，产生误操作）。

表1 工业机器人与主控PLC端口对应说明