基于Micro850的碼垛機(jī)機(jī)械手運(yùn)動控制

摘要：近年來，愈發(fā)成熟的PLC技術(shù)正朝著用于連續(xù)生產(chǎn)過程控制的方向發(fā)展。本文基于羅克韋爾公司的AB Micro850可編程邏輯控制器，以碼垛機(jī)機(jī)械手為被控對象實(shí)現(xiàn)多軸同步的運(yùn)動控制。結(jié)果表明，利用PLC控制碼垛機(jī)機(jī)械手具有性能可靠、定位精準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)定以及便于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，加以延伸即可完成滿足工控領(lǐng)域要求的一系列動作。

關(guān)鍵詞：Micro850；機(jī)械手；運(yùn)動控制

1 緒論

隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，可編程邏輯控制器（PLC）因具備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、體積小巧、安裝調(diào)試方便且易于擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)勢，逐漸從眾多實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的控制裝置中脫穎而出。基于PLC的工控技術(shù)即成為了當(dāng)下自動化學(xué)科的一個新興研究領(lǐng)域。

碼垛機(jī)，即為一種將輸送機(jī)運(yùn)輸過來的生產(chǎn)材料依照工藝上的要求堆疊成垛，并將這些物料進(jìn)行下一步傳送的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因其操作步驟簡便且易于掌控而在過程控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，并從一定程度上促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)流程的智能化管理，在大幅度減少人力的同時亦削減了勞動強(qiáng)度。碼垛機(jī)機(jī)械手則是一種根據(jù)碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的被控對象，它能夠模擬人類手臂的部分動作，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的分揀、抓取、搬運(yùn)、傳送等功能。本文將以羅克韋爾公司的AB Micro850為控制器進(jìn)行碼垛機(jī)機(jī)械手運(yùn)動控制的探究。

2 碼垛機(jī)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

碼垛機(jī)的主體是由航空級鋁合金板材加工，并加以電鍍表面氧化后組裝而成。同步帶傳動則由連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)、3臺步進(jìn)電機(jī)和相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器組成。STP59D3012GA步進(jìn)電機(jī)（額定電流2A，保持扭矩1.4N.m，4線雙極驅(qū)動，步進(jìn)角為1.8°）作為腰部運(yùn)動電機(jī)，帶有減速機(jī)的步進(jìn)電機(jī)42BYGP48（額定電流2A，保持扭矩10N.m，4線雙極驅(qū)動，步進(jìn)角為1.8°）作為主動臂運(yùn)動電機(jī)，STP42D1075步進(jìn)電機(jī)（額定電流0.8A，保持扭矩280N.m，4線雙極驅(qū)動，步進(jìn)角為1.8°）作為連桿運(yùn)動電機(jī)。

基于同步帶傳動可將對單軸的運(yùn)動控制擴(kuò)展至三軸同步的運(yùn)動控制，通過編程可使碼垛機(jī)機(jī)械手的各個軸復(fù)現(xiàn)指定的運(yùn)動路徑，從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。

3 PLC控制程序的設(shè)計

Micro850控制器支持梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本和功能塊編程共3種程序設(shè)計方式。其中，梯形圖表達(dá)式是基于電路控制系統(tǒng)的雛形演化而來，即保留了一般電路元件的圖形符號和相應(yīng)觸點(diǎn)狀態(tài)，從而大大提升了程序的可讀性，算法架構(gòu)亦更為形象、直觀，是當(dāng)前工業(yè)控制中應(yīng)用較廣泛的一種可視化編程語言。本文借助羅克韋爾公司開發(fā)的Connected Components Workbench（CCW）軟件進(jìn)行底層算法的設(shè)計，并將Micro850控制器的型號選為2080LC5048QBB，I00、I03；I01、I04；I02、I05為其發(fā)出的3組高速脈沖，分別對應(yīng)運(yùn)動軸Axis1（主動臂電機(jī)），Axis2（腰部電機(jī)），Axis3（連桿運(yùn)動電機(jī)）。

3.1 參數(shù)的配置

配置包括常規(guī)、電機(jī)和載荷、限制、動態(tài)、原位等。常規(guī)配置即根據(jù)不同運(yùn)動軸對應(yīng)的高速脈沖進(jìn)行相應(yīng)通道的選擇，本文將驅(qū)動器啟用輸出分別設(shè)定為IO_EM_DO_06，IO_EM_DO_07和IO_EM_DO_08；對于電機(jī)和載荷，本文以revs（轉(zhuǎn)數(shù)）作為位置單位，因此電機(jī)的速度單位為revs/s，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)即PLC發(fā)出的脈沖數(shù)，應(yīng)保證和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器上的細(xì)分設(shè)定相一致，此處設(shè)置為3200（細(xì)分與力矩成正比，與速度成反比）；限制分為硬限位與軟限位，分別是硬件外部限位開關(guān)和應(yīng)用緊急停止配置的單位數(shù)，這里主要對軟限位進(jìn)行設(shè)定：Axis1，下限：-0.7revs，上限：001revs；Axis2，下限：-0.5revs，上限：0.5revs；Axis3，下限：-03revs，上限：0.3revs。動態(tài)中需要配置的是速度、加速度和重加速度。加速度是速度的變化率，重加速度則反映加速度的變化趨勢，通常選擇1：5：25的比例，停止參數(shù)及原位參數(shù)的設(shè)置同理。（主動臂電機(jī)的配置還需考慮1：5.18減速比的換算）

3.2 梯形圖的搭建

CCW的功能塊列表里僅有一組運(yùn)動控制模塊適用于Micro850控制器中的QBB型，如：MC_Power（上電模塊），MC_Halt（急停模塊），MC_Home（歸位模塊），MC_MoveVelocity（控制伺服以速度值運(yùn)動），MC_MoveRelative（控制伺服以相對值運(yùn)動），MC_MoveAbsolute（命令受控制的運(yùn)動到指定的絕對位置），MC_Reset（故障恢復(fù)），MC_Stop（暫停模塊）。每個功能塊需要所在梯級與功能分別使能后才可以正常工作，且得到一次使能后僅工作一次，故在規(guī)劃運(yùn)動路徑時應(yīng)注意各個運(yùn)動軸可達(dá)的有效范圍及相互間的位置關(guān)聯(lián)。其中，MC_Power功能塊需將控制正反方向運(yùn)動的輸入變量均設(shè)置為True以確保正確使能，在調(diào)節(jié)速度改變方向時MC_MoveVelocity需與MC_Halt配合使用，調(diào)用MC_MoveAbsolute進(jìn)行相對運(yùn)動前需借助MC_Home模塊來標(biāo)記零點(diǎn)（原位）。結(jié)合邏輯電路的設(shè)計思想，梯形圖的架構(gòu)如下所示（梯級層次依次向下遞增）：

3.3 程序驗證

梯形圖創(chuàng)建完畢即可進(jìn)行程序的生成和連接，在彈出的連接瀏覽器對話框中選擇Micro850對應(yīng)的IP地址，而后將所建工程下載至控制器項目中。在梯形圖界面可見各梯級間連線呈紅色，表示導(dǎo)通狀態(tài)，即為程序運(yùn)行模式。首先將三個運(yùn)動軸的上電模塊使能端置1，由其輸出的三個狀態(tài)變量使各自的相對運(yùn)動模塊所在梯級導(dǎo)通，再通過對所設(shè)置的三個外部按鈕進(jìn)行置位或復(fù)位操作以改變正轉(zhuǎn)控制、反轉(zhuǎn)控制、暫停控制所在梯級的使能狀態(tài)，進(jìn)而對各自的相對運(yùn)動模塊進(jìn)行使能控制，以實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)機(jī)械手三軸同步正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及暫停的功能。工程實(shí)踐中，PLC往往會受一些不必要的干擾因素影響而出現(xiàn)緊急情況，通過操控最后一個梯級所設(shè)外部按鈕的狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)急停復(fù)位（電機(jī)轉(zhuǎn)軸速率降為零）的功能，以確保運(yùn)動控制過程中的可靠性和安全性。下圖所示位置為其標(biāo)記原點(diǎn)位置，紅色箭頭代表主動臂電機(jī)軸的負(fù)方向和連桿運(yùn)動電機(jī)軸的正方向，藍(lán)色箭頭代表主動臂電機(jī)軸的正方向和連桿運(yùn)動電機(jī)軸的負(fù)方向。

4 結(jié)語

本文以Micro850 PLC為核心實(shí)現(xiàn)了對碼垛機(jī)機(jī)械手的多軸同步運(yùn)動控制，試驗結(jié)果表明PLC控制碼垛機(jī)機(jī)械手具有性能可靠、定位精準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)定以及便于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，若加以工業(yè)觸摸屏進(jìn)行實(shí)時通訊，將形成人機(jī)交互界面，進(jìn)而對碼垛機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動過程實(shí)現(xiàn)更為方便和高效地監(jiān)控。若旨在使碼垛機(jī)機(jī)械手完成其他適用于工控領(lǐng)域的規(guī)定動作，可從運(yùn)動軸參數(shù)的配置入手，針對底層算法進(jìn)行深一步調(diào)整和優(yōu)化。

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作者簡介：賀麗媛（1998），女，漢族，湖北武漢人，本科，研究方向：自動化。